Грунтовые анкеры: устройство и применение в ограждениях

Что такое грунтовый анкер

Грунтовый анкер — конструкция, которая передаёт растягивающее усилие от удерживаемого сооружения на устойчивый массив грунта. В ограждениях котлованов анкеры крепят стену из шпунта, труб, буронабивных свай или стену в грунте к грунту за пределами котлована. Под давлением грунта ограждение стремится сместиться внутрь выемки, анкер это смещение ограничивает.

Принцип простой. Грунт за стеной котлована делится на две зоны: призму обрушения, которая при потере устойчивости сползает вместе со стеной, и неподвижный массив за ней. Анкер проходит призму обрушения свободно, а закрепляется — заделывается — уже в неподвижном массиве. Чем лучше грунт в зоне заделки и чем длиннее корень анкера, тем большее усилие он воспринимает.

Анкерами раскрепляют не только котлованы. Их применяют для подпорных стен на склонах, удержания откосов, противодействия всплытию заглублённых сооружений, закрепления опор мачт. В этой статье речь о самом частом случае — грунтовых анкерах в ограждениях котлованов. Другие материалы о котлованах и сваях — в разделе статьи.

Из чего состоит грунтовый анкер

Любой инъекционный грунтовый анкер состоит из трёх частей.

• Оголовок — опорная плита, клиновой или гаечный замок и узел крепления к распределительному поясу стены. Через оголовок анкер натягивают и фиксируют.
• Свободная часть (тяга) — участок, проходящий через призму обрушения. Тяга не должна сцепляться с грунтом, поэтому её помещают в гладкую оболочку. Здесь анкер работает как пружина, и при натяжении удлиняется.
• Корень (заделка) — участок в устойчивом грунте, где тяга сцеплена с цементным камнем, а цементный камень — с грунтом. Именно корень передаёт усилие на массив.

Тягу делают из арматурной стали периодического профиля, высокопрочных стержней с резьбой или из пучка канатов-прядей. Пряди удобны для длинных анкеров с большим усилием: их легко транспортировать в бухтах и натягивать многопрядевым домкратом. Стержни проще в монтаже на коротких анкерах и в стеснённых условиях.

Виды грунтовых анкеров

Анкеры классифицируют по сроку службы, способу устройства корня и типу тяги. От вида зависят оборудование, допустимая нагрузка и стоимость.

По сроку службы анкеры делят на временные — на период строительства подземной части — и постоянные, которые удерживают подпорную стену весь срок службы сооружения. Постоянный анкер отличается прежде всего защитой тяги от коррозии и требованиями к контролю натяжения в процессе эксплуатации.

Винтовой грунтовый анкер

Анкер грунтовый винтовой — стальной стержень или труба с одной или несколькими винтовыми лопастями. Его завинчивают в грунт гидровращателем под проектным углом, затем стержень наращивают до нужной длины. Лопасти работают как опорные «шайбы» в грунте: они воспринимают усилие на выдёргивание за счёт сопротивления грунта над ними.

Плюсы винтового анкера — нет бурения, нет раствора, нет времени на набор прочности: нагрузку можно передавать сразу после установки. Его ставят на временных ограждениях небольших котлованов, траншей, при укреплении откосов и в аварийных ситуациях, когда нужно быстро раскрепить стену.

Ограничения тоже серьёзные. Несущая способность винтового анкера меньше, чем у инъекционного той же длины. Лопасть не проходит через валуны, бетонные обломки и строительный мусор, которые типичны для городских насыпных грунтов. Отклонение от проектного угла при завинчивании трудно исправить. Поэтому несущую способность подтверждают испытаниями на объекте, а не только расчётом.

Не путайте грунтовый винтовой анкер с винтовыми сваями: свая работает на сжатие и вдавливание, анкер — на выдёргивание под углом. Лопасти, шаг и сталь у них подбирают под разные нагрузки.

Что задаёт длину, шаг и усилие анкера

Параметры анкеров назначает проектировщик ограждения в общем расчёте котлована. На их выбор влияют несколько величин.

• Глубина котлована и число ярусов. На каждый ярус приходится своя часть бокового давления грунта. Чем глубже котлован, тем больше ярусов и тем ниже расположен нижний ярус, где усилия максимальны.
• Положение призмы обрушения. Свободная часть анкера должна полностью её пересечь с запасом. Граница призмы зависит от угла внутреннего трения грунта и глубины котлована, поэтому анкеры верхних ярусов обычно длиннее.
• Несущая способность корня. Определяется сопротивлением сдвигу по боковой поверхности цементного тела в данном грунте. По ней подбирают длину корня, а затем уточняют её испытаниями на опытном участке.
• Шаг по горизонтали. Обычно 1,5–3 м. Слишком частые анкеры начинают «мешать» друг другу: зоны корней перекрываются, и несущая способность группы меньше суммы одиночных.
• Общая устойчивость. Помимо прочности каждого анкера проверяют, не сдвинется ли весь массив «стена — анкеры — грунт» по глубокой поверхности скольжения ниже корней.

Расчёт ведут в геотехнических программах с моделью поэтапной разработки котлована: на каждом этапе проверяют прогибы стены, усилия в анкерах и осадки поверхности у соседних зданий. Принципы расчёта ограждений в целом разобраны в других публикациях раздела статей о котлованах и сваях.

Устройство грунтовых анкеров по шагам

Устройство грунтовых анкеров в ограждении котлована идёт ярусами, синхронно с разработкой грунта. Для инъекционного анкера порядок работ такой.

1. Разработка котлована до отметки яруса. Грунт выбирают на 0,5–1 м ниже отметки анкеров, чтобы установка могла встать и работать. Ниже этого уровня копать нельзя, пока ярус не натянут.
2. Распределительный пояс. По стене монтируют пояс из спаренных швеллеров или двутавров либо бетонируют монолитный пояс. В поясе предусматривают отверстия или проёмы под анкеры.
3. Бурение скважины. Анкерная буровая установка бурит под углом 15–30° к горизонту через стену или между элементами ограждения. В неустойчивых и водонасыщенных грунтах бурят под защитой обсадной трубы.
4. Установка тяги. В скважину вводят тягу с центраторами, оболочкой на свободной части и инъекционной трубкой.
5. Нагнетание раствора. Цементный раствор подают от забоя, вытесняя буровую жидкость. Обсадные трубы извлекают с доливом раствора. Для манжетных анкеров через сутки делают повторную инъекцию под давлением.
6. Набор прочности. Испытывать и натягивать анкер можно после набора цементным камнем прочности, назначенной проектом, — обычно через несколько суток.
7. Испытание и натяжение. Анкер нагружают домкратом по программе испытаний, затем фиксируют на проектном усилии блокировки.
8. Разработка следующего яруса. Только после натяжения всего яруса разрабатывают грунт ниже.

Испытания и натяжение анкеров

Грунтовый анкер — единственный элемент ограждения, который проверяют нагрузкой практически поштучно. Расчёт даёт только ожидаемую несущую способность: реальная зависит от грунта в зоне корня, качества бурения и инъекции.

Нагрузку прикладывают ступенями, на каждой ступени выдерживают время и измеряют перемещение оголовка. По графику «нагрузка — перемещение» определяют, где упругое удлинение свободной части, а где начинается проскальзывание корня. Состав ступеней, время выдержки и критерии приёмки назначают проектом и программой испытаний на основании действующих сводов правил.

После приёмочного испытания анкер разгружают до усилия блокировки — обычно оно меньше проектного, чтобы стена могла немного «дожать» анкер при разработке грунта ниже. Если анкер не выдержал нагрузку, рядом ставят дополнительный или снижают на него проектное усилие с перераспределением на соседние.

Грунты и ограничения для анкеров

Грунтовые анкеры работают не везде. Перед проектированием по инженерно-геологическим изысканиям проверяют, какой грунт будет в зоне корня, а не только у стены.

• Пески средней плотности и плотные — хорошая заделка, высокая несущая способность корня. При высоком уровне воды бурят под обсадкой и следят за выносом песка через устье.
• Твёрдые и полутвёрдые глины, суглинки — хорошее основание для корня; применяют повторную инъекцию и уширение.
• Текучие и мягкопластичные глины, торф, ил — заделка неэффективна, анкеры ползут под нагрузкой. В таких грунтах корень переносят в нижележащие слои или переходят на распорки.
• Насыпные грунты с мусором — бурение осложнено, винтовые анкеры не проходят. Корень в насыпи не устраивают.

Второе ограничение — пространство за котлованом. Анкер уходит под соседний участок, дорогу, сети. Трассу каждого анкера сверяют с фундаментами соседних зданий, подземными коммуникациями, метро. Для работ под чужой территорией нужно согласие владельца, а под действующими сетями — согласование с их эксплуатирующими организациями.

Ошибки при устройстве анкеров и как их избежать

Отказы анкерных креплений почти всегда связаны не с расчётом, а с нарушениями при производстве работ.

Защита тяги от коррозии

Для временных анкеров достаточно цементного камня в зоне корня и оболочки на свободной части. Для постоянных применяют двойную защиту: тягу помещают в гофрированную пластиковую трубу, заполненную цементным раствором, а свободную часть дополнительно заполняют антикоррозионной смазкой или составом. Оголовок постоянного анкера закрывают колпаком с заполнением. Требования к защите определяются агрессивностью грунтовой среды по данным изысканий.

Мониторинг в процессе разработки котлована

Нагрузку в части анкеров контролируют динамометрами на оголовках весь период, пока котлован открыт. Рост усилия сверх расчётного говорит о большем давлении грунта, падение — о проскальзывании корня или смещении стены. Одновременно геодезисты измеряют перемещения верха стены и осадки соседних зданий. Пороговые значения, при которых работы останавливают, задаёт программа мониторинга.

Анкеры или распорки: что выбрать

Анкеры и распорки решают одну задачу — удерживают ограждение котлована от смещения. Выбор зависит от ширины котлована, соседства и графика работ внутри котлована.

По стоимости сравнивают не цену одного анкера и одной распорки, а весь вариант крепления целиком. У анкеров в смету входят бурение в метрах, тяги и цемент, испытания каждого анкера, распределительный пояс и согласования с владельцами соседней территории. У распорок — металл в тоннах, сварка, промежуточные стойки, домкраты для поджатия, поярусный демонтаж и, главное, потеря темпа внутри котлована: экскаватору и крану приходится работать между распорками, а бетонирование фундаментной плиты идёт захватками в обход стоек. На котловане шириной 15 м распорки почти всегда дешевле, на котловане 60 м анкеры экономят и металл, и время.

Есть случаи, когда выбора нет. Под соседним участком метро, плотные сети или фундаменты на сваях — анкеры не поставить. Котлован в слабых глинах на всю глубину — корню негде заделаться. Наоборот, при сложной форме котлована в плане с большими пролётами распорки потребуют столько стоек и связей, что анкеры остаются единственным разумным вариантом.

На практике решения комбинируют: в широкой части котлована — анкеры, в углах — подкосы-раскосы, в узкой части — распорки. Подробно о выборе способа крепления по глубине, грунту и соседним зданиям — на странице крепление стенок котлована.

Нормы и документы по грунтовым анкерам

Проектирование и устройство анкерных креплений регулируют следующие документы.

• СП 381.1325800.2018 «Сооружения подпорные. Правила проектирования и строительства» — расчёт ограждений котлованов с анкерным креплением, конструктивные требования.
• СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений» — расчёт давления грунта, устойчивость котлована и оценка влияния на соседнюю застройку.
• СП 45.13330.2017 «Земляные сооружения, основания и фундаменты» — производство и приёмка работ, в том числе по устройству грунтовых анкеров.

Исполнительная документация по анкерам включает журнал бурения и инъекции с длинами, углами и расходом раствора по каждому анкеру, протоколы испытаний с графиками «нагрузка — перемещение», акты освидетельствования скрытых работ и исполнительную схему расположения анкеров с фактическими отметками.

Где анкеры встречаются со шпунтом

Самое частое сочетание в городском строительстве — шпунтовая стенка из профиля Ларсена или стальных труб с одним-двумя ярусами анкеров. Шпунт и трубы для такой стены погружают вибропогружателем, в плотных грунтах — в лидерные скважины, а после обратной засыпки пазух извлекают. ФирмаСтрой выполняет именно эту часть: лидерное бурение под шпунт диаметром 250–650 мм на глубину до 18 м, погружение шпунта Л4–Л6 и труб ф219–630 и извлечение шпунта с глубины до 25 м. Анкеры и их испытания в состав наших работ не входят — их выполняет специализированная организация по проекту. Как собрано временное ограждение котлована из шпунта и труб и что входит в работы — на странице услуги.