Устройство щебёночных свай является недорогим и эффективным методом усиления грунтов основания фундаментов в стесненных условиях подвала при низком уровне подземных вод в глинистых и песчаных грунтах , устойчивых при проходке скважин . Устройство щебеночных свай защищено патентом !!!!!!!!!(1)
Впервые В.Я.Шишкин применил уплотнение грунта основания щебёночными сваями  на Моспочтампте (ул., Мясницкая , 26) в 1993 г.(2).

В  2005-2006 гг такой способ укрепления грунта использовался при реконструкции дома 5а на улице Кедрова , дома 24 на Электрозаводская улице и здания Станции Аэрации в Некрасовке Люберецкого района.

Устройство щебёночных свай

Глубина погружения свай выбирается исходя из грунтовых условий, работы существующих фундаментов и расчёта несущей способности основания со сваями, уплотняющими грунт.

Усиление оснований фундаментов состоит в проходке наклонных скважин около бетонного основания с помощью реверсированных пневмопробойников, разработанных В.А. Григоращенко, А.Л. Исаковым и др. в Институте горного дела Сибирского отделения Академии наук России (ИГД СО РАН) (3). Конструкция пневмопробойника достаточно проста и представляет собой самодвижущуюся машину ударного действия для пробивания скважин в грунте, корпус которой является рабочим органом, образующим скважину. Ударник, размещённый в корпусе, совершает под действием сжатого воздуха возвратно–поступательное движение и наносит удары по переднему торцу корпуса, забивая его в грунт. Благодаря осевой симметрии и значительной длине, пневмопробойник во время движения позволяет изменять направление ударов, и следовательно, направление движения машины, то есть возвращать её назад. Для снабжения пневмопробойника сжатым воздухом используется компрессорная станция.

Пневмопробойник пускают по направляющей и пробивают скважину на расчётную глубину. Затем, после извлечения пневмопробойника, в скважину засыпают щебень и по направляющей вновь погружают пробойник на всю глубину. При этом материал втрамбовывается в стенки скважины и образует уплотнённую зону в дне скважины. После этого пробойник извлекают, вновь засыпают щебнем на всю глубину скважины и пробойник вновь погружают на расчётную глубину.

Проходку скважины и уплотнение щебёнки заканчивают после того, как нижняя граница уплотнённого инертного материала достигнет расчётной глубины.

После извлечения пробойника скважину тампонируют бетоном. Перерыв между извлечением пневмопробойника и тампонированием не должен превышать одного часа. В случае, когда по расчёту объёма щебня требуется диаметр уплотнённого инертного материала увеличить до трёх и более диаметров пробойника, операции по проходке скважин и уплотнению следует выполнять на одном и том же участке скважины несколько раз.

Технические характеристики пневмопробойников

Таблица 1.

Расчёт щебёночных свай на примере реконструируемого здания  по ул. Кедрова 5а.

Краткое описание реконструируемого здания

Существующее здание по ул. Кедрова, д. 5а: кирпичное, трёхэтажное, с подвалом под частью габарита, построено в 1950-х годах. Во время эксплуатации неоднократно подвергалось реконструкции, с перепланировкой, пробивкой новых и заделкой старых проёмов, возведением пристроек.

Основанием фундаментов служат флювиогляциальные пески средней крупности, средней плотности, влажные, глинистые; супеси пылеватые, с прослоями песка, пластичные, а также суглинки с прослоями песка, с гравием, тугопластичные.

Фундаменты под стенами ленточные, выполненные из монолитного бетона и кирпича на сложном растворе. Фундаменты под внутренними кирпичными столбами – столбчатые, выполнены из монолитного бетона, бутобетона и красного кирпича на сложном растворе. Общее состояние фундаментов – удовлетворительное.

Наружные и внутренние стены кирпичные, выполнены из силикатного, с включением красного обыкновенного, кирпича на сложном и шлаковом растворе. Кирпичная кладка наружных и внутренних стен в уровне первого и второго этажей подвержена выветриванию на глубину до 5 см. Шлакоцементный раствор подвержен выветриванию на глубину до 15 см.

В наружных стенах имеются трещины с шириной раскрытия до 4 мм, увлажнения кирпичной кладки и обрушения штукатурки. Имеются места обрушения штукатурки и защитного слоя бетона монолитных ж/б колонн дворового фасада, арматура ж/б колонн подвержена коррозии. В целом, состояние стен, столбов и колонн принято как удовлетворительное.

Также, указывается на неудовлетворительное состояние перекрытий, поражение гнилью древесины стропильных конструкций, однако принимается, что общее состояние конструкций здания в целом удовлетворительное, требуется проведение капитально-восстановительного ремонта здания.

В тоже время, в соответствии с требованиями МГСН 301.03-97 «Методика определения аварийности строений» техническое состояние здания является неудовлетворительным, категория состояния конструкций III. Учитывая то, что проектом предусматривается капитальный ремонт несущих и ограждающих конструкций здания окончательно принимается II категория технического состояния конструкций. МГСН 2.07-01 и «Рекомендациями по обследованию и мониторингу технического состояния эксплуатируемых зданий, расположенных вблизи нового строительства или реконструкции» предельные дополнительные деформации здания по ул. Кедрова, д. 5а составляют: максимальная осадка 30 мм; крен 0,001; кривизна подошвы фундамента 0,0001.

Расчёт щебёночных свай

Критерием расчётов являются требования СНиП 2.02.01-83* и МГСН 2.07-01:

• среднее давление под подошвой фундамента не должно превышать расчётного сопротивления грунтов основания [СНиП 2.02.01-83*]
• дополнительные деформации не должны превышать предельные значения для данного здания МГСН 2.07-01.

Из уточнённых расчётов можно получить следующее сопоставление указанных величин (табл. 2):

Таблица 2.

Дополнительная нагрузка от надстройки 1-го этажа и мансарды составит 150 кН на 1 пог. м стены. Таким образом, дополнительное давление под подошвой фундамента будет равно (табл. 3):

Таблица 3.

 Из выборочных данных, приведённых в табл. 3, видно, что при надстройке несущая способность существующих фундаментов недостаточна, необходимо выполнить усиление оснований и фундаментов здания в процессе реконструкции.

В качестве метода усиления принимается глубинное уплотнение грунтов с использованием щебёночных свай и последующей цементацией тела фундаментов, контакта «фундамент-грунт» и щебёночных свай.

Расчет щебёночных свай сводится к определению длины свай ниже подошвы фундамента и количества проходок пневмопробойником. Расчёт выполняется путём итераций. Задаётся длина сваи ниже подошвы и объём втрамбовываемого щебня. Определяется зона уплотнения.

Задаём в программном комплексе Plaxis указанные параметры и оцениваем работу фундамента на уплотнённом основании под действием нагрузок, которые возникнут после реконструкции здания.

Длина щебёночных свай принимается 1,2 м, при этом зона уплотнения зависит от объёма втрамбовываемого щебня. Объём щебня определяется по количеству порций втрамбовываемого щебня в грунт или количеством проходок пневмопробойником на основании требуемого уплотнения грунта.

Физико-механические характеристики уплотненного грунта и подбор шага щебёночных свай для расчёта можно определить следующим образом:

Рассмотрим шурф №1 по оси 1

В первом приближении принимаем шаг щебёночных свай 0,6 м. Ширина ленточного фундамента b = 1,44 , коэффициент пористости грунта   е = 0,68 , плотность частиц грунта рs = 2,66 г/см3 , плотность сухого грунта  рd  = 1,58 г/см3 . Уплотнение грунта производим на глубину 1,2 м ниже подошвы фундамента. Длина зоны уплотнения равна lупл = 1,5 м.

Находим объём активной зоны,

V_акт = 1,2 м * (1,44 м + 0,3 м) * 1 м  = 2,09 м³ 

Количество свай на погонный метр 

n = 1/0,6 = 1,67 ,

отсюда получим объём щебня на погонный метр 

V_{щ.на пог. м}  = 1,5 * 1,67 * 0,13² * 3,14/4 = 0,0332 м³ 

и объём щебня на погонный метр в активной зоне

V_щ.акт  = 0,0332/2,09 = 0,0159 м³ 

 Теперь можем вычислить плотность сухого грунта после уплотнения

р_{d упл} = р_s * ( (1 / 1+ е) + V_щ.акт  )  = 2,66 * ((1/1+0,68) + 0,0159) = 1,626 т/м³ , 

и коэффициент пористости после уплотнения

е _упл = ( р_s - р_{d упл} )/ р_{d упл} =  (2,66 – 1,626)/1,626 = 0,64. 

Таким образом было рассчитано всё здание и определён шаг по всем стенам и колонам.

Список использованных материалов и литературы

1. Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01-83).
2. Рекомендации по расчёту, проектированию и устройству свайных фундаментов нового типа в г. Москве. – М.: Москомархитектура, 1997