BORED PILES STRUCTURE IN THE ORENBURG REGION IN WINTER

DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.120.6.003

УСТРОЙСТВО БУРОНАБИВНЫХ СВАЙ В УСЛОВИЯХ ОРЕНБУРЖЬЯ В ЗИМНИЙ ПЕРИОД

Научная статья

Бородина Е.Д.^1, *, Кузнецова Е.В.²

¹ORCID: 0000-0001-5283-2149;

^{1, 2} Оренбургский государственный университет, Оренбург, Россия

* Корреспондирующий автор (borodina-ed[at]mail.ru)

Аннотация

В данной работе представлены технологические особенности выполнения буронабивных работ в холодное время года, используемые в условиях Оренбургской области. При помощи практических сведений, в которые входит информация о создании комплекса исходного нагревания бетона, выполнен сравнительный анализ стоимости сырья, применяемого при буронабивных работах и создана методика, при помощи которой возможно крупномасштабное строительство со значительным снижением удельных расходов для фирм, ведущих производственную деятельность в холодное время года с применением буронабивных технологий. Расчёты суммарных затрат на материалы, показали, что приведённые суммарные затраты на выполнение буронабивных работ на 2,5 % ниже, суммарных затрат на материалы при выполнении работ при помощи холодной укладки бетона. При серийных буронабивных работах в холодное время года в Оренбурге, наилучшим вариантом считается применение на стройке поста предварительного нагревания бетона.

Ключевые слова: оптимизация, буронабивные сваи, бетонная смесь, предварительный разогрев, зимнее бетонирование, свайные фундаменты.

BORED PILES STRUCTURE IN THE ORENBURG REGION IN WINTER

Research article

Borodina E.D.^1, *, Kuznecova E.V.²

¹ ORCID: 0000-0001-5283-2149;

^{1, 2} Orenburg State University, Orenburg, Russia

* Corresponding author (borodina-ed[at]mail.ru)

Abstract

The work presents the technological specifics of bore piling operations in the cold season in the Orenburg region. With the help of practical knowledge, which includes information on the creation of an initial concrete heating complex, a comparative analysis of the cost of raw materials used in bore piling operations was carried out, and a method was created, with the help of which large-scale construction is possible with a significant expense reduction for firms conducting bore piling operations in the cold season. Calculations of the sum spent on the materials in total showed that the total cost of the bore piling operations is 2.5% lower than that of the materials when conducting the work with the help of cold application of concrete. In case of multiple bore piling operations in the cold season in Orenburg, the best option is considered to be the use of a concrete preheating station at the construction site.

Keywords: optimization, bore piling operations; concrete blend, preheating, cold water concreting, pile foundation.

Введение

В данной работе проведен анализ себестоимости технологии буронабивных свайных фундаментов, по результатам расчетов определен оптимальный вариант. Представлены технологические особенности выполнения буронабивных работ в холодное время года, используемые в условиях Оренбургской области, исходя из изученной литературы [1], [2], [3].

Целью исследования было выбрать оптимальный вариант фундаментов глубокого заложения, на основании расчётов суммарных затрат на материалы, которые показали, что приведённые суммарные затраты на выполнение буронабивных работ на 2,5 % ниже, суммарных затрат на материалы при выполнении работ при помощи холодной укладки бетона. При серийных буронабивных работах в холодное время года в Оренбурге, наилучшим вариантом считается применение на стройке поста предварительного нагревания бетона.

При помощи практических сведений, в которые входит информация о создании комплекса исходного нагревания бетона, выполнен сравнительный анализ стоимости сырья, применяемого при буронабивных работах и создана методика, при помощи которой возможно крупномасштабное строительство со значительным снижением удельных расходов для фирм, ведущих производственную деятельность в холодное время года с применением буронабивных технологий. В работе использованы материалы статей научных журналов по данной теме, а также информация от предприятий Оренбуржья размещенная на их официальных сайтах.

В последние годы технология буронабивных свайных фундаментов получила широкое применение благодаря следующим достоинствам:

• повышаются нагрузочные возможности фундамента, его осадка становится более равномерной;
• снижаются объёмы выбранной земли под устройство фундаментов и количество бетона;
• имеются возможности опирания на малоподвижную почву, которая залегает на большой глубине;
• возможно применение свай большего сечения;
• строительство ведётся вне зависимости от погоды;
• снижаются затраты на строительную технику;
• строительство ведётся без шума и вибрации от забивания свай, что снижает вред для жителей близлежащих домов и для самих зданий.

Буронабивные сваи применяются на всех почвах, за исключением скальных и крупнообломочных. Технологический процесс изготовления данных свай должен соответствовать требованиям СП 50-102-2003.

Исходя из местных геодезических характеристик в районе монтажа данных конструкций используется 3 метода.

Сухой метод. Используется в твёрдых глинистых почвах, если не применяют усиление скважинных поверхностей. Скважины с требуемыми размерами выполняются с применением шнеков или буров. В некоторых случаях в нижних частях скважин с применением специального оборудования выполняется их разбуривание. Последующее бетонирование проводится с применением опалубки из бетонных труб, которую убирают по мере бетонной заливки. По окончании данного процесса создаётся скелет, который в зимний период следует укрывать теплоизоляцией. Подобным образом монтируют сваи длиной до 30 м и сечением до 1.2 м. Этот метод нельзя применять при наличии агрессивных влажных сред.

Применение глинистых растворов. Данный метод используется при наличии очень влажной почвы. Он базируется на формирование гидравлического напора глинистых растворов r = 1200 кг/м³, что даёт возможность исключить применение опалубки. Их приготавливают на рабочей площадке из бентонитовой глины и при помощи специальных штанг закачивают в скважины. Его направляют по стенам в верхнюю зону и через зумпф при помощи перекачивающего устройства подают в буровые штанги, создавая, таким образом, круговое движение. После в скважинах монтируют каркасы из арматуры для наполнения бетоном. В процессе его подачи из скважины плавно выдавливается глинистый раствор и достаётся бетонная труба.

Применение обсадных труб. Данный метод применяется при всех геодезических характеристиках почвы. В скважины обсадные трубы помещают за счёт гидравлических домкратов, при помощи забивания труб или вибрационного погружения, и соединяют друг с другом при помощи сварки либо спец замков. Скважины выполняют при помощи ударного либо вращательного бурения. В целях расширения скважины в основании возможно применение направленных взрывов. В данных целях обсадные трубы подают к низу, не доставая до дна 1,4 м. В нижней части выполняют закладку зарядов соответствующей взрывной способности и с верхней зоны подают бетон. После подрыва создаётся сфера, быстро заполняющаяся бетонной смесью. Направленный в скважину каркас заливается бетоном с использованием трубы, которая передвигается в вертикальном направлении. За счёт специальных домкратов обсадные трубы вращаются, что существенно повышает плотность бетона.

Изучим параметры, от которых зависит себестоимость строительных работ: максимальное расстояние, на которое промерзает в холодное время года, размеры свай, стоимость сырья для их производства [1, C. 3].

Вычисление себестоимости изготовление единицы материала для производства буронабивных работ производится следующим образом:

где Р_с – себестоимость изготовления каждой сваи, руб.;

V_c – суммарный объём бетона, м³;

Р_м – себестоимость бетона, руб.;

Р_н – себестоимость строительной операции, руб.

В данном случае себестоимость выполнения буронабивных работ вычисляется следующим образом:

где Р_а – арендная плата за использование строительных машин, руб.;

Р_к – оплата труда монтажников, руб.

В случае выполнения строительных операций в любое время года арендная плата за технику, а также оплата труда монтажников и себестоимость металла для производства свай считается постоянной. По этой причине выполним анализ себестоимости изготовления бетона в холодное и тёплое время года. Главной характеристикой себестоимости бетона в зимнее время считается добавка в исходные материалы антизамерзающих компонентов.

В таблице 1 приведена себестоимость изготовления бетона с добавкой антизамерзающих компонентов и без них, для условий применения бетонов типа В15.

Таблица 1 – Себестоимость изготовления бетона в холодное и тёплое время года

№ п.п.	Изготовитель бетона	Марка бетона	Стоимость, руб./м3		Увеличение себестоимости, %
			Тёплое время года	Холодное время года (с применением антизамерзающих компонентов)
1	ЗАО «Новые технологии»	В15	3094	3314	7,1
2	ЗАО «Оренбургбетон»	В15	2950	3050	3,4
3	ЗАО «Бетон-56»	В15	2440	2580	5,7

Согласно информации, которая имеется в таблице 1, имеется возможность вычислить средневзвешенное увеличение себестоимости изготовления бетона в тёплое и холодное время года Q_cpследующим образом

где Q₁, Q₂ и Q₃ – увеличение себестоимости изготовления бетона у 1-го, 2-го и 3-го производителя соответственно;

n – число производителей.

По результатам вычислений при помощи формулы (3), которые имеются в таблице 1, установлено, что средневзвешенное увеличение себестоимости изготовления бетона в холодное время года на 5.4 % выше, относительно изготовления в тёплое время года.

Согласно информации, полученной при помощи сравнительного анализа себестоимости буронабивных работ при возведении ТЦ «Континент», размещённого в: г. Оренбург, ул. Ветеранов труда, д. 16/3, выполнены соответствующие изыскания.

В ходе вышеуказанного строительства монтировался буронабивной фундамент по лицензии DDS для 2-х идентичных зданий по типовому проекту монтажа свай. Расстояние, на которое заглублены эти конструкции (Д_у = 0.52 м) составляет L = 25 м. Число смонтированных конструкций N = 208 шт. во всех зданиях. Для производства строительных работ применялось следующее оборудование: бурильный комплекс BauerBG36, насос для подачи бетона БН-60, передвижной подъёмник МКГ-16М, бетономешалка СБ-92–1 и передвижной генератор мощностью 100 кВт АД-100-Т400. В ходе выполнения монтажа свай на каждом участке работало одинаковое число строителей. Погодный режим был следующим t = -5 … -10 ^оС, скорость ветра и влажность – умеренные. Расстояние, на которое промерзает грунт Оренбурге составляет h_cp = 1.5 м, поверхностный модуль М_п = 4.22 м^-1 [2, С. 28].

Серийный монтаж строительных конструкций на первом участке выполнялся при помощи холодной технологии на основе бетона с антизамерзающими компонентами. При производстве бетона в заводских условиях придерживаются оптимальной концентрации антизамерзающих компонентов, рассчитанной на основании лабораторных экспериментов на предприятии.

Во время серийного монтажа строительных конструкций, изготовленных из бетона с антизамерзающими компонентами, суммарную себестоимость исходного сырья определяют следующим образом:

где Р₁ – суммарная себестоимость исходного сырья для свай с антизамерзающими компонентами;

Р_с1 – себестоимость исходного сырья для каждой сваи с антизамерзающими компонентами;

N_c – суммарное число свай.

На 2-м участке создана технология, где применяется бетон, произведённый в заводских условиях с соблюдением норм сохранности степени текучести подогретого бетона на время, необходимое для закачки в заранее подготовленную зону, грелся до требуемого значения на месте производства работ. Водоцементный коэффициент устанавливается на основании исходной текучести бетона и располагается в диапазоне от 0,19 м до 0,21 м осаждения типового конуса. В данном случае поверхностный модуль М_п< 5 м^-1, т. к. при указанном значении затвердевание бетона в скважине происходит за большее время, что положительно сказывается на прочностных характеристиках конструкции.

При выполнении монтажа в подобной ситуации создана технология предварительного нагревания бетона в рабочем пространстве насоса. Главными составляющими комплекса считаются: фундамент для нагревателя с электротрансформатором ТСДЗ-40М. На ригелях (4) смонтирована система предварительного нагревания бетона (3). К выгрузной эстакаде (1) подъезжают бетономешалки (2) и производится выгрузка бетона. С другой стороны, при помощи насоса, бетон перекачивают в предварительно подготовленное пространство [3, С. 34].

Суммарная себестоимость изготовления поста предварительного нагревания приведена в таблице 2.

Рис. 1 – Устройство пункта предварительного нагревания бетона:

1 – выгружная эстакада; 2 – бетономешалка; 3 – установка предварительного нагревания бетона; 4 – ригельная конструкция

Таблица 2 – Расчёт стоимости изготовления поста предварительного нагревания бетона

№ п.п.	Наименование	Ед. изм.	Стоимость, руб.	Суммарный объём	Суммарная цена, руб.
1	Уголок равнополочный 125х125х12 мм	мп	852,6	148,0	126187,8
2	Лист 4х1500х3000 мм	шт.	9387,9	12,0	112654,2
3	Электротрансформатор для нагревания бетона ТСДЗ-40М	шт.	67000,0	1,0	67000,0
4	Зарплата рабочих	р/час	100,0	672,0	67200,0
5	Цена электроэнергии	р/Квт·ч	2,5	83904,0	209760,0
Итого					582802,0

При серийном монтаже строительных конструкций, произведённых с предварительным нагреванием бетона, суммарная цена исходных материалов определяется следующим образом:

Результаты

Результаты сравнительного анализа суммарных затрат при выполнении буронабивных работ с добавкой антизамерзающих компонентов и с применением постов предварительного нагревания бетона приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Сравнительный анализ затрат на материалы для исследуемых методов выполнения буронабивных работ в г. Оренбург

Способ производства работ	Общее число свай, шт.	Объём каждой конструкции, м3	Себестоимость бетона, р/м3	Себестоимость поста предварительного нагревания бетона, руб.	Суммарные затраты на материалы, руб.
С добавкой антизамерзающих компонентов	208	20	3314	-	13798303
С применением поста предварительного нагревания бетона	208	30	3094	582802	13465104

По результатам расчётов суммарных затрат на материалы, которые приведены в таблице 3 можно прийти к выводу, что приведённые суммарные затраты на выполнение буронабивных работ на 2,5 % ниже, суммарных затрат на материалы при выполнении работ при помощи холодной укладки бетона.

Заключение

В ходе сравнительного анализа затрат на материалы для серийного выполнения буронабивных работ в холодное время года установлено:

• В случае применения антизамерзающих компонентов в холодное время года относительно тёплого периода суммарные затраты увеличиваются на 5.4 %.
• В целях понижения суммарных затрат на выполнение буронабивных работ, при серийных буронабивных работах в холодное время года в Оренбурге, наилучшим вариантом считается применение на стройке поста предварительного нагревания бетона, о котором говорится в настоящей работе. Этот способ производства работ даст возможности строительным фирмам, снизить финансовые расходы на выполнение буронабивных работ примерно на 2.5 %.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Андриевский С.Н. Совершенствование технологии зимнего бетонирования конструктивных элементов монолитных каркасов здания: автореф. дис. … канд. техн. наук / С.Н. Андриевский – Новосибирск, 2019. – 163 с.
2. Иванов К.Ю. Оптимизация производства работ при устройстве буронабивных свай в зимний период строительства в Оренбурге / К.Ю. Иванов // Молодой ученый. – 2015. – № 24(104). – С. 134 – 138.
3. Сбитнев А.В. Несущая способность свай, выполненных по технологии вытеснения в слабых грунтах: автореф. дис. … канд. техн. наук / А.В. Сбитнев – Санкт-Петербург, 2019 – 121 с.
4. СП 50-102-2003. Свод правил. Проектирование и устройство свайных фундаментов – Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85: введен 21.06.2003. – Минстрой России, 2012 – 87 с. [Электронный ресурс]. URL: https://files.stroyinf.ru/Data2/1/4294844/4294844883.pdf – 05.04.2022. (дата обращения: 12.02.2022)
5. СП 24.13330.2011. Свод правил. Свайные фундаменты. – Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85: введен 20.05.2011. – Минстрой России, 2016 – 112 с. [Электронный ресурс] URL: https://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293811/4293811646.pdf – 05.04.2022. (дата обращения: 12.02.2022)
6. СП 63.13330.2012. Свод правил. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. – Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003: введен 01.01.2013. – Минстрой России, 2015 – 168 с. [Электронный ресурс] URL:https://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293801/4293801835.pdf – 05.04.2022. (дата обращения: 12.02.2022)
7. Кузнецова Е.В. Анализ методов зимнего бетонирования монолитных конструкций / Е.В. Кузнецова, Е.О.Скворцова // Междисциплинарные исследования. Современное состояние и перспективы развития: материалы XXIV Междунар. студен. науч.-практ. конф. / отв. ред. С.В. Кусов. – Екатеринбург : ИМПРУВ, 2018. – С. 10–25.
8. Проектирование свайных фундаментов с использованием набивных свай: [методические указания для обучающихся по образовательным программам высшего образования по направлению 08.03.01 Строительство] / сост. Д.А. Украинченко – Оренбург : ОГУ, 2021. – 16 с.
9. Разработка свайных фундаментов с использованием буронабивных свай: [методические указания для обучающихся по программам высшего образования по направлению 08.03.01 Строительство] / сост. Д.А.Украинченко.– Оренбург : ОГУ, 2021. – 26 с.
10. Гарипов В.С. Обзор особенностей производства бетонных работ в зимнее время / В.С. Гарипов, М.А.Панагасов// Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры: материалы Всерос. науч.-метод. конф. (с междунар. участием) / Оренбург : ОГУ, 2020. – С. 67–71.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Andrievskij S.N. Sovershenstvovanie tehnologii zimnego betonirovanija konstruktivnyh jelementov monolitnyh karkasov zdanija [Improving the technology of winter concreting of structural elements of monolithic building frames]: abstract of the dissertation of the Candidate of Technical Sciences / S.N. Andrievskij – Novosibirsk, 2019. – 163 p. [in Russian]
2. Ivanov K.J. Optimizacija proizvodstva rabot pri ustrojstve buronabivnyh svaj v zimnij period stroitel'stva v Orenburge [Optimization of the production of works during the installation of bored piles during the winter construction period in Orenburg] / K.Ju. Ivanov // Molodoj uchenyj. – 2015. – № 24(104). – P. 134–138. [in Russian]
3. Sbitnev A.V. Nesushhaja sposobnost' svaj, vypolnennyh po tehnologii vytesnenija v slabyh gruntah [Bearing capacity of piles made using displacement technology in weak soils]: abstract of the dissertation of the Candidate of Technical Sciences / A.V. Sbitnev – Sankt-Peterburg, 2019 – 121 p. [in Russian]
4. SP 50-102-2003. Svod pravil. Proektirovanie i ustrojstvo svajnyh fundamentov – Aktualizirovannaja redakcija SNiP 2.02.03-85 [SP 50-102-2003. A set of rules. Design and installation of pile foundations – Updated version of SNiP 2.02.03-85]: introduced 21.06.2003. – Ministry of Construction of Russia, 2012 – 87 p. [Electronic resource]. URL: https://files.stroyinf.ru/Data2/1/4294844/4294844883.pdf – 05.04.2022. (accessed: 12.02.2022) [in Russian]
5. SP 24.13330.2011. Svod pravil. Svajnye fundamenty. – Aktualizirovannaja redakcija SNiP 2.02.03-85 [SP 24.13330.2011. A set of rules. Pile foundations. – Updated version of SNiP 2.02.03-85]: introduced 20.05.2011. – Ministry of Construction of Russia, 2016 – 112 p. [Electronic resource]. URL:https://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293811/4293811646.pdf – 05.04.2022. (accessed: 12.02.2022) [in Russian]
6. SP 63.13330.2012. Svod pravil. Betonnye i zhelezobetonnye konstrukcii. Osnovnye polozhenija. – Aktualizirovannaja redakcija SNiP 52-01-2003 [SP 63.13330.2012. A set of rules. Concrete and reinforced concrete structures. The main provisions. – Updated version of SNiP 52-01-2003]: introduced 01.01.2013. – Ministry of Construction of Russia, 2015 – 168 p. [Electronic resource]. URL: https://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293801/4293801835.pdf – 05.04.2022. (accessed: 12.02.2022) [in Russian]
7. Kuznecova E.V. Analiz metodov zimnego betonirovanija monolitnyh konstrukcij [Analysis of methods of winter concreting of monolithic structures] / E.V. Kuznecova, E.O. Skvorcova // Mezhdisciplinarnye issledovanija. Sovremennoe sostojanie i perspektivy razvitija: materialy XXIV Mezhdunar. studen. nauch.-prakt. konf. [Interdisciplinary research. The current state and prospects of development: materials of the XXIV International Student. scientific and practical conference] / edited by S.V. Kusov. – Ekaterinburg : IMPRUV, 2018. – P. 10–25. [in Russian]
8. Proektirovanie svajnyh fundamentov s ispol'zovaniem nabivnyh svaj: [metodicheskie ukazanija dlja obuchajushhihsja po obrazovatel'nym programmam vysshego obrazovanija po napravleniju 08.03.01 Stroitel'stvo] [Design of pile foundations using stuffed piles: methodological guidelines for students of educational programs of higher education in the direction of 08.03.01 Construction] / comlined by D.A. Ukrainchenko – Orenburg : OGU, 2021. – 16 p. [in Russian]
9. Razrabotka svajnyh fundamentov s ispol'zovaniem buronabivnyh svaj: [metodicheskie ukazanija dlja obuchajushhihsja po programmam vysshego obrazovanija po napravleniju 08.03.01 Stroitel'stvo] [Development of pile foundations using bored piles: methodological guidelines for students of higher education programs in the direction of 08.03.01 Construction] / comlined by D.A. Ukrainchenko. – Orenburg : OGU, 2021. – 26 p. [in Russian]
10. Garipov V.S. Obzor osobennostej proizvodstva betonnyh rabot v zimnee vremja [Overview of the features of the production of concrete works in winter] / V.S. Garipov, M.A. Panagasov // Universitetskij kompleks kak regional'nyj centr obrazovanija, nauki i kul'tury: materialy Vseros. nauch.-metod. konf. (s mezhdunar. uchastiem) [University complex as a regional center of education, science and culture: materials of the All-Russian Scientific method. conf. (with the international participation)] / Orenburg : OGU, 2020. – P. 67–71. [in Russian]