способ возведения свайного фундамента на просадочных грунтах

Формула изобретения

1. Способ возведения свайных фундаментов на просадочных грунтах, включающий образование водопоглощающих полостей на всю глубину просадочного грунта с заглублением в непросадочный грунт, заполнение водопоглощающих полостей дренирующим материалом, обвалование площадки по периметру сооружения, подачу воды на площадку и в сообщающиеся с ней водопоглощающие полости и погружение свай в водопоглощающие полости на их неполную глубину, отличающийся тем, что каждую сваю выполняют имеющей продольную полость с боковыми отверстиями и закрытой снизу, сами же сваи размещают в водопоглощающих полостях с оставлением зазоров между стволом сваи и стенками водопоглощающих полостей, обсаживаемых на глубину h₁, которую определяют из соотношения



где p₀ - давление разрыва грунта, МПа;

c, и s_sl,g - соответственно удельное сцепление (МПа), удельный вес (кН/м³) и просадка от собственного веса (м) грунта;

К - параметр, принимаемый в зависимости от угла внутреннего трения и коэффициента поперечного расширения грунта,

а дренирующим материалом заполняют зазоры до отметки низа обсадного элемента, оборудуют площадку марками - пьезометрами, после чего, заливая воду в водопоглощающие полости и поддерживая положение поверхности депрессии, фиксируемой пьезометрами, в нижней части просадочной толщи грунта, погружают сваи с полостями, сообщающимися с водопоглощающими полостями, до проектной отметки, затем подачу воды в водопоглощающие полости прекращают, удаляют обсадные элементы, и зазоры в водопоглощающих полостях выше дренирующего материала на глубину h₂= h₁-s_sl,g заполняют малопроницаемым армированным твердеющим материалом, а сами сваи разделяют на две группы с расположением одной группы свай между сваями другой группы и полости свай одной группы оборудуют устройствами для удаления воды из них, после чего на площадку и сквозь полости свай в водопоглощающие полости подают воду с поддержанием ее постоянного уровня до достижения депрессионной поверхностью уровня площадки, затем прекращают подачу воды на площадку и в водопоглощающие полости, а одну группу последних, посредством устройств для удаления воды, освобождают от воды, содержащейся в них и периодически, посредством тех же устройств, удаляют воду, фильтрующуюся из окружающего водонасыщенного массива просадочного грунта в водопоглощающие полости, до понижения депрессионной поверхности до нижней части просадочной толщи грунта, после чего циклы замачивания повторяют до достижения суточной условной стабилизации просадок, определяемой по маркам в моменты нахождения поверхности депрессии в нижней части просадочной толщи грунта, а с наступлением стабилизации просадок из полостей свай извлекают устройства для удаления воды и водопоглощающие полости заполняют сквозь полости свай твердеющим материалом под избыточным давлением с уплотнением грунта, окружающего сваю.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что водопоглощающие полости ниже обсадного элемента образуют в виде усеченного конуса, ориентированного большим основанием вверх.

3. Способ по любому из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что при насыщении просадочного грунта в водопоглощающие полости подают воду под избыточным давлением, а в периоды понижения депрессионной поверхности в водопоглощающих полостях с устройствами для удаления воды создают давления меньшие атмосферного.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что в периоды насыщения просадочного грунта в водопоглощающих полостях создают избыточные давления горячей водой, перегретым паром.

5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что по периметру обвалованной площадки в просадочном грунте выполняют прорезь, заполняемую материалом с малой акустической жесткостью, обладающим после насыщения водой малой проницаемостью и низким сопротивлением сдвигу.

6. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что на площадке и в сообщающихся с ней водопоглощающих полостях поддерживают постоянный уровень воды.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства, а именно к способам возведения свайных фундаментов для зданий и сооружений на грунтах II типа по просадочности.

Известен способ возведения свайного фундамента на просадочных грунтах, включающий образование в грунте водопоглощающих полостей, оси которых совпадают с проектным положением осей свай, заполнение водопоглощающих полостей дренирующим материалом, замачивание просадочных грунтов и погружение свай в водопоглощающие полости (см. авт. св. СССР 676686, кл. Е 02 D 7/26, 1979).

Недостатком известного способа является то, что просадочный грунт уплотняется лишь вблизи сваи, в основном под пятой и применим этот способ лишь для коротких свай, используемых в сельскохозяйственном строительстве для небольших сооружений.

Наиболее близким к предлагаемому (прототипом) по своей сущности и достигаемому результату является способ возведения свайного фундамента на просадочных грунтах, включающий образование водопоглощающих полостей на всю глубину просадочного грунта с заглублением в непросадочные грунты, заполнение водопоглощающих полостей дренирующим материалом, обваловывание территории по периметру сооружения, покрытие обвалованной площадки слоем дренирующего материала, заливку воды на обвалованную площадку и последующее погружение свай в водопоглощающие полости (см. авт. св. СССР 885446, кл. Е 02 D 27/34, 1981).

Недостатком известного способа является то, что необходимо ожидать насыщения водой всего массива просадочного грунта до погружения свай, а взвешивающее действие воды на просадочный грунт, проявляющееся при его замачивании с поддерживанием постоянного уровня воды на площадке, замедляет просадку грунта от собственного веса, при растекании же купола воды в течение длительного времени после прекращения замачивания, погруженные сваи испытывают действия сил отрицательного трения проседающего грунта, уменьшающих несущую способность свай.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности возведения свайного фундамента (включая уплотнение просадочного грунта и несущей способности свай).

Поставленная цель достигается тем, что в способе возведения свайного фундамента на просадочных грунтах, включающем образование водопоглощающих полостей на глубину просадочной толщи с заглублением в непросадочные грунты, заполнение водопоглощающих полостей дренирующим материалом, обвалование площадки по периметру сооружения, подачу воды на площадку и в сообщающиеся с ней водопоглощающие полости и погружение свай в водопоглащающие полости на их неполную глубину, согласно изобретению, каждую сваю выполняют имеющей продольную полость с боковыми отверстиями и закрытую снизу, сами же сваи размещают в водопоглощающих полостях с оставлением зазоров между стволом сваи и стенками водопоглощающих полостей, обсаживаемых на глубину ₁, которую определяют из соотношения



где p₀ - давление разрыва грунта, МПа;

c, и s_sl,g - соответственно удельное сцепление (МПа), удельный вес (кН/м³) и просадка от собственного веса (м) грунта;

К - параметр, принимаемый в зависимости от угла внутреннего трения и коэффициента поперечного расширения грунта,

а дренирующим материалом заполняют зазоры до отметки низа обсадного элемента, оборудуют площадку марками - пьезометрами, после чего заливая воду в водопоглощающие полости и поддерживая положение поверхности депрессии, фиксируемой пьезометрами, в нижней части просадочной толщи грунта, погружают сваи с полостями, сообщающимися с водопоглощающими полостями, до проектной отметки, затем подачу воды в водопоглощающие полости прекращают, удаляют обсадные элементы и зазоры в водопоглощающих полостях выше дренирующего материала, на глубину h₂=h₁-S_sl,g заполняют малопроницаемым армированным твердеющим материалом, а сами сваи разделяют на две группы с расположением одной группы свай между сваями другой группы и полости свай одной группы оборудуют устройствами для удаления воды из них, после чего на площадку и сквозь полости свай в водопоглощающие полости подают воду с поддерживанием ее постоянного уровня до достижения депрессионной поверхностью уровня площадки, затем прекращают подачу воды на площадку и в водопоглощающие полости, а одну группу последних, посредством устройств для удаления воды, освобождают от воды, содержащейся в них, и периодически, посредством тех же устройств, удаляют воду, фильтрующуюся из окружающего водонасыщенного массива просадочного грунта в водопоглощающие полости, до понижения депрессионной поверхности до нижней части просадочной толщи грунта, после чего циклы замачивания повторяются до достижения суточной условной стабилизации просадок, определяемой по маркам в моменты нахождения поверхности депрессии в нижней части просадочной толщи грунта, а с наступлением стабилизации просадок из полостей свай извлекают устройства для удаления воды и водопоглощающие полости заполняются сквозь полости свай твердеющим материалом под избыточным давлением с уплотнением грунта, окружающим сваю.

Водопоглощающие полости ниже обсадного элемента могут быть образованы в виде усеченного конуса, ориентированного большим основанием вверх.

Кроме того, при насыщении просадочного грунта водой, в водопоглощающие полости могут подавать воду под избыточным давлением, а в периоды понижения депрессионной поверхности в водопоглощающих полостях с устройствами для удаления воды могут создаваться давления менее атмосферного.

Насыщение просадочного грунта водой может быть выполнено созданием в водопоглощающих полостях избыточного давления горячей воды, перегретого пара.

По периметру обвалованной площадки может быть выполнена в просадочном грунте прорезь, заполняемая материалом с малой акустической жесткостью, обладающим после насыщения водой малой проницаемостью и низким сопротивлением сдвигу.

На площадке и в сообщающихся с ней водопоглощающих полостях могут поддерживать постоянный уровень воды.

Сущность изобретения поясняется чертежами на фиг.1-5, где на фиг.1 показаны этапы возведения сваи, поперечный разрез; на фиг.2 - свая с конической водопоглощающей полостью, поперечный разрез; на фиг.3 - фрагмент свайного фундамента в период подачи воды на площадку и в водопоглощающие полости, поперечный разрез; на фиг.4 - фрагмент свайного фундамента в период прекращения подачи воды на площадку и в водопоглощающие полости, а также понижения депрессионной поверхности при удалении воды из водопоглощающих полостей, поперечный разрез; на фиг.5 - фрагмент свайного фундамента в период заполнения водопоглощающих полостей твердеющим материалом, поперечный разрез.

Способ возведения свайного фундамента на просадочных грунтах осуществляют следующим образом.

На площадке 2, предназначенной для возведения свайного фундамента, создают водопоглощающие полости 3 на глубину просадочной толщи грунта 1 с заглублением в непросадочные грунты 4. В водопоглощающих полостях 3 размещают сваи 5 с оставлением зазоров 6 между стволом сваи 5 и стенками водопоглощающих полостей 3 (фиг.1), причем каждую сваю 5 выполняют имеющей продольную полость 7 с боковыми отверстиями (на чертежах не показаны) и закрытую снизу. Затем стенки полостей 3 на глубину h₁, определяемую из соотношения (1), обсаживают вертикальным элементом 8, заполняют зазоры 6 дренирующим материалом 9 (например, мытым щебнем) до отметки низа обсадного элемента 8, оборудуют площадку 2 марками-пьезометрами (на чертежах не показаны), после чего, заливая воду в водопоглощающие полости 3 и поддерживая положение поверхности депрессии 10, формируемой водой, поступающей из полостей 3 и фиксируемой пьезометрами, в нижней части просадочной толщи грунта 1, погружают сваи 5 до проектной отметки. При этом замачивание просадочного грунта 1 и погружение свай 5 совмещаются во времени, что повышает эффективность возведения свайного фундамента.

Подача воды в водопоглощающие полости 3 в период погружения свай 5 приводит к насыщению просадочного грунта 1 водой, снижению прочностных свойств грунта за счет размягчения его цементационных связей, повышению сжимаемости грунта и увеличению удельного веса грунта 1б(_1б), по сравнению с удельным весом просадочного грунта 1(₁) первоначального состояния, за счет добавления веса рыхлосвязанной воды, дополнительно удерживаемой в порах грунта при его насыщении водой и отсутствии взвешивающего действия воды, т.е.

где W₁ и W_1б - влажность грунтов соответственно первоначального состояния 1 и насыщаемого водой в области 1б.

При динамическом погружении свай 5 до проектной отметки в грунте 1 возникают вертикальные и горизонтальные колебания, вызывающие инерционные силы F₁, равные



где a и g - соответственно ускорение колебаний грунта и ускорение свободного падения, м/с².

При этом удельный вес грунта _1б, больший удельного веса ₁, вызывает в грунте 1б проявление больших инерционных сил F_1б, более интенсивно разрушающих цементационные связи просадочного грунта 1б и повышающих эффективность уплотнения всей просадочной толщи грунта 1. Кроме воды в водопоглощающих полостях 3 и в полостях 7 свай 5 обеспечивает полную передачу колебаний грунту 1б посредством несжимаемой водной оболочки вокруг погружаемой сваи 5, что дополнительно увеличивает инерционные силы F_1б, повышающие интенсивность разрушения цементационных связей просадочного грунта 1б и эффективность уплотнения просадочной толщи грунта 1.

Кроме этого, наличие насыпного дренирующего материала 9, испытывающего взвешивающее действие воды, в водопоглощающих полостях 3 вокруг стволов свай 5 уменьшает силы трения проседающего грунта 1 о ствол сваи 5 и способствует более полному проявлению просадки грунта 1, что повышает эффективность уплотнения просадочного грунта 1.

После погружения всех свай 5 на проектную отметку, прекращают подачу воды в полости 3, удаляют обсадные элементы 8, а зазоры 6 в водопоглощающих полостях выше дренирующего материала на глубину h₂=h₁-s_sl,g заполняют малопроницаемым твердеющим материалом 11 (например, бетонной смесью с арматурой) и полости 7 свай 5, сообщающиеся с водопоглощающими полостями 3, оборудуют устройствами 12 для удаления воды из них (например, эжекторной скважинной установкой).

Затем на площадку 2 и сквозь полости 7 свай 5 в водопоглощающие полости 3 подают воду с поддерживанием ее постоянного уровня (фиг.3). При этом просадочный грунт 1 начинает пропитываться инфильтрационными потоками воды 13 и 14, фильтрующимися соответственно от площадки 2 и водопоглощающих полостей 3. Инфильтрационные потоки 13 и 14 получают преимущественно вертикальное направление и формируют в нижней части просадочной толщи грунта 1 полностью насыщенную водой зону 1а, ограниченную поверхностью депрессии 10. По мере поступления воды от инфильтрационных потоков 13 и 14 поверхность депрессии 10, сформировавшаяся в период погружения свай 5, начинает подниматься вверх до достижения площадки 2. В результате этого просадочный грунт 1 с удельным весом ₁ полностью насыщается водой и переходит во взвешенное водой состояние 1а с удельным весом _1a, т.е.

_1a= ₁-_в, (4)

где удельный вес воды.

Полное насыщение просадочного грунта 1 водой приводит к дополнительному снижению прочностных свойств грунта 1 и некоторому его уплотнению за счет размягчения цементационных связей и повышения его сжимаемости. Процесс указанного уплотнения недостаточно эффективен из-за низких сжимающих напряжений, создаваемых весом грунта 1а, испытывающего взвешивающее действие воды (4).

После водонасыщения просадочного грунта 1 и достижения поверхностью депрессии 10 уровня площадки 2 прекращают подачу воды на площадку 2 и в водопоглощающие полости 3. Это приводит к понижению депрессионной поверхности 10 за счет растекания воды (фиг.4). При этом область грунта 1б, освободившаяся от насыщающей ее свободной (гравитационной) воды и находящаяся выше депрессионной поверхности 11, перестает испытывать взвешивающее давление воды. Указанное приводит к повышению удельного веса грунта 1б(_1б), по сравнению с удельным весом просадочного грунта 1(₁) первоначального состояния (2).

При этом удельный вес грунта _1б, больший удельного веса ₁, более интенсивно разрушает структурные связи просадочного грунта в областях 1а и 1б, повышая эффективность уплотнения всей просадочной толщи грунта 1.

Кроме этого, фильтрационный поток 15, формирующийся при понижении депрессионной поверхности 10, соответствующим образом воздействует на скелет грунта 1а своей гидродинамической силой Ф, равной

Ф = _вI, (5)

где - область фильтрации грунта, м²;

I - действующий градиент напора;

удельный вес воды.

Указанная сила Ф имеет вертикальную составляющую Ф_в (фиг.4), которая также увеличивает сжимающие напряжения в грунте 1а и дополнительно повышает эффективность уплотнения грунта 1а и всей просадочной толщи грунта 1. По мере понижения депрессионной поверхности 10 фильтрационная сила _в снижается за счет уменьшения области фильтрации и градиента напора I и при этом полные сжимающие напряжения в грунте 1 не сжимаются, т.к. с большей интенсивностью увеличивается объем грунта 1б с удельным весом _1б>₁, определяемым по формуле (2).

При освобождении же полостей 3 от воды, находящейся в них, посредством устройств 12 для удаления воды, фильтрационный поток в водонасыщенном грунте 1a устремляется в освободившиеся полости 3, высачиваясь по всей высоте укладки дренирующего материала 9. В связи с этим возрастают градиенты напора I, скорости фильтрации и расход воды, фильтрующейся в полости 3, что приводит к увеличению скорости понижения депрессионной поверхности 10. Указанное повышение градиентов напора I вызывает рост гидродинамической силы Ф фильтрационного потока и, соответственно, ее вертикальной составляющей Ф_в, что также увеличивает сжимающие напряжения и дополнительно повышает эффективность уплотнения просадочного грунта 1.

При этом более интенсивно увеличиваются объем грунта 1б, освобождающегося от насыщающей воды, и соответствующие сжимающие напряжения, что приводит к дополнительному повышению эффективности уплотнения просадочного грунта 1.

Периодическое же удаление воды, фильтрующейся из окружающего водонасыщенного массива грунта 1а в водопоглощающие полости 3, посредством устройств 12 для удаления воды, позволяет периодически освобождать полости 3 от аккумулирующейся в них воды, создающей негативный подпор фильтрационному потоку Ф_с соответствующим понижением градиентов напора. Указанное позволяет получить наиболее оптимальные условия для беспрепятственного оттока (фильтрации) воды из водонасыщенного массива грунта 1а в водопоглощающие полости 3 с соответствующим ускорением понижения депрессионной поверхности 10 и повышением эффективности уплотнения просадочного грунта 1.

После понижения депрессионной поверхности 10, фиксируемой пьезометрами, до нижней части просадочной толщи грунта 1, общий объем грунта 1б, имеющего удельный вес _1б, достигает наибольшей величины с соответствующими напряжениями в грунте в данном периоде цикла, что дает соответствующее повышение эффективности уплотнения просадочного грунта 1.

Последующее возобновление подачи воды на площадку 2 и в водопоглощающие полости 3, приводящее к повышению депрессионной поверхности 10 за счет насыщения просадочного грунта 1 водой, представляет собой продолжение следующего цикла уплотнения просадочного грунта 1, аналогичного описанному выше. Циклы уплотнения повторяются до достижения условной суточной стабилизации просадки, определяемой по маркам в моменты нахождения поверхности депрессии 10 в нижней части просадочной толщи грунта 1.

С наступлением стабилизации просадок грунта 1 из полостей 7 свай 5 извлекают устройства 12 для удаления воды и водопоглощающие полости 3 заполняются сквозь полости 7 свай 5 твердеющим материалом (например, цементным раствором) под избыточным давлением (фиг.5). Затем водопоглощающие полости 3 со свежеуложенным твердеющим материалом спрессовывают заданным давлением, уплотняя дополнительно окружающий сваи 5 и ставший уже непросадочным грунт 1. При этом на контакте материала, начинающего твердеть в объеме водопоглощающих полостей 3, и окружающего массива грунта 1 возникают повышенные радиальные горизонтальные давления _r1, сохраняющиеся при твердении материала и увеличивающие удельные сопротивления грунта сдвигу по боковой поверхности стволов свай 16, определяемые по формуле

= (_r1+_r2)tg+c, (6)

c и - соответственно сцепление и угол внутреннего трения грунта;

_r2- дополнительные удельные давления, возникающие при действии вертикальной нагрузки на сваю.

Указанное увеличение удельных сопротивлений , размеров ствола сваи 5 за счет заполнения водопоглощающих полостей 3 твердеющим материалом после уплотнения просадочных грунтов 1, а также проявление положительных сил трения по всей длине сваи 16 после уплотнения просадочных грунтов цикличным замачиванием, повышает несущую способность свай 5.

Выполнение водопоглощающих полостей ниже обсадного элемента 8 в виде усеченного конуса 17, ориентированного большим основанием вверх (фиг.2), приводит к более интенсивному насыщению просадочного грунта 1 водой за счет увеличенной фильтрационной поверхности, имеющей к тому же большее простирание в горизонтальном направлении, что существенно для лессовых грунтов с вертикально ориентированной анизотропной водопроницаемостью. Кроме этого, выполнение полостей 3 в виде усеченного конуса 17 позволяет при понижении депрессионной поверхности 10, начинающейся после прекращения подачи воды на площадку 2 и в водопоглощающие полости 17, и удалении воды из последних посредством устройств 12, сократить продолжительность понижения депрессионной поверхности 10 до нижней части просадочной толщи за счет увеличения притока воды из массива просадочного грунта 1 в полости 17 с увеличенной водопоглощающей поверхностью в анизотропном грунте с большей вертикальной проницаемостью. Вышеуказанные уменьшения времени насыщения водой просадочного грунта 1 и понижения депрессионной поверхности 10 до нижней части просадочной толщи позволяют дополнительно повысить эффективность уплотнения просадочного грунта за счет сокращения продолжительности отдельных циклов уплотнения.

Кроме этого, после заполнения полостей в виде усеченного конуса твердеющим материалом под избыточным давлением в уплотненном грунте 1 формируется ствол конической сваи 18 с несущей способностью, определяемой с учетом давлений обжатия р, складывающихся из горизонтальных радиальных _r и вертикальных _v контактных давлений. Превышение величины давлений обжатия р над значениями радиальных давлений _r, характерных для цилиндрических свай 16, приводит к повышению несущей способности свай 18.

Подача воды под избыточным давлением в водопоглощающие полости 3 при насыщении просадочного грунта 1 водой и создание давлений менее атмосферного в водопоглощающих полостях 3, оборудованных устройствами 12 для удаления воды из них, в периоды понижения депрессионной поверхности 10 уменьшает сроки насыщения грунта 1 водой и понижения депрессионной поверхности 10 с увеличением действующих градиентов напора фильтрационного потока (а следовательно, и гидродинамической силы Ф_в), что позволяет повысить эффективность уплотнения просадочной толщи за счет уменьшения продолжительности отдельных циклов уплотнения просадочного грунта 1 и повышения сжимающих напряжений в грунте 1.

Подача в водопоглощающие полости 3 горячей воды (перегретого пара) под избыточным давлением в периоды насыщения просадочного грунта 1 водой приводит к более интенсивному разрушению структурных связей в грунте 1 и растворению солей, что повышает эффективность уплотнения грунта 1 за счет увеличения его сжимаемости и уменьшения продолжительности отдельных циклов уплотнения грунта 1.

Выполнение по периметру обвалованной площадки 2 в просадочном грунте 1 прорези 19, заполняемой материалом с малой акустической жесткостью, обладающим после насыщения водой малой проницаемостью и низким сопротивлением сдвигу (например, маловлажной аэрированной смесью бентонитовой глины и суглинка с добавками), предохраняет массив 20 грунта вне площадки 2 от колебаний грунта 1, возникающих на площадке 2 при погружении свай 5, а при замачивании просадочного грунта 1 с повышением депрессионной поверхности 10 и обводнении материала в прорези 19, последняя становится малопроницаемой и предотвращает растекание воды в стороны от замачиваемого массива грунта 1, отделяет проседающий массив замоченного грунта 1 от окружающего площадку замачивания 2 массива 20 просадочного грунта природной влажности, уменьшает силы трения между замоченным проседающим массивом грунта 1 и окружающим массивом 20 просадочного грунта за счет низкого сопротивления сдвигу материала в прорези 19 и придает фильтрационному потоку в грунте 1 при понижении депрессионной поверхности 10 преимущественно вертикальное направление. Вышеуказанное дополнительно повышает эффективность уплотнения грунта 1 за счет сокращения продолжительности отдельных циклов уплотнения и увеличения сжимающих напряжений в грунте 1.