способ укрепления водонасыщенных грунтов в основаниях зданий и сооружений

Формула изобретения

1. Способ укрепления массива водонасыщенного грунта в основаниях зданий и сооружений, включающий формирование законтурного ряда упрочняющих грунт элементов по периметру укрепляемого массива, создание каркасно-ячеистой структуры из упрочняющих грунт элементов в зоне укрепляемого массива и образование на его поверхности распределительного несущего элемента, при этом формирование упрочняющих грунт элементов выполняют путем нагнетания в образуемые в грунте скважины твердеющего материала под давлением, отличающийся тем, что при укреплении массива иловатого водонасыщенного грунта формирование упрочняющих грунт элементов в законтурном ряду ведут с образованием противофильтрационного экрана с разомкнутым в зоне отвода воды контуром путем направленной подачи в скважины законтурного ряда твердеющего раствора по продольной оси экрана с одновременным направленным естественным и/или принудительным отводом воды, а в зоне укрепляемого массива заполнение скважин твердеющим материалом ведут по участкам, в пределах которых образуют ряды скважин с расположением рядов параллельно разомкнутому участку контура экрана и перпендикулярно ему, начиная с ряда, наиболее удаленного от разомкнутого участка контура экрана, также с одновременным направленным естественным и/или принудительным отводом воды, при этом скважины выполняют на всю глубину формируемых упрочняющих грунт элементов, соответствующую толщине укрепляемого массива водонасыщенного грунта.

2. Способ укрепления массива водонасыщенного грунта в основаниях зданий и сооружений по п. 1, отличающийся тем, что формирование упрочняющих грунт элементов в законтурном ряду осуществляют двухщелевыми инъекторами с ориентацией щелей по продольной оси экрана.

3. Способ укрепления массива водонасыщенного грунта в основаниях зданий и сооружений по п. 1, отличающийся тем, что в зоне укрепляемого массива заполнение скважин ведут четырехщелевыми инъекторами, щели которых располагают по продольным и поперечным осям рядов.

4. Способ укрепления массива водонасыщенного грунта в основаниях зданий и сооружений по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что заполнение скважин в рядах ведут в последовательности через одну-три скважины по горизонтам, начиная с верхнего или нижнего, с возвратом к незаполненным скважинам после набора твердеющим материалом в предшествующей скважине 30-50% проектной прочности.

5. Способ укрепления массива водонасыщенного грунта в основаниях зданий и сооружений по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что по завершению формирования, по крайне мере, части упрочняющих грунт элементов, в твердеющий материал, по крайней мере, на часть высоты скважины, до набора прочности вводят арматурные стержни.

6. Способ укрепления массива водонасыщенного грунта в основаниях зданий и сооружений по п. 5, отличающийся тем, что арматурные стержни вводят в скважины, расположенные в шахматном порядке в смежных рядах.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства, в частности к способам формирования оснований зданий и сооружений.

Известен способ укрепления грунтов в основаниях промышленных и жилых сооружений, включающий образование в укрепляемом грунте несущего нагрузку основания в виде трехслойной плиты, в которой нижний слой выполняют в виде уплотненного слоя грунта в основании вырытого котлована, средний выполняется с образованием по глубине массива упрочненных зон, образованных уплотненным грунтом и упрочненными элементами, сформированными в скважинах закачкой затвердевающей смеси или втрамбовыванием твердых элементов, а верхний в виде железобетонной плиты с заданными под скважины отверстиями [1]. По контуру массива выполняется законтурный экран в виде ряда равномерно установленных упрочненных элементов, например свай.

Недостатком указанного способа является большая трудоемкость процесса образования трехслойного основания, связанная с необходимостью выемки большой массы грунта при подготовке котлована, работами по уплотнению нижнего слоя грунта и формированию среднего слоя. Данным способом формируются основания, ограниченные по глубине и площади, в основном, для промышленных и жилых зданий.

Кроме того, упомянутый способ имеет ограниченную применимость. Для лессовых, просадочных и иловатых грунтов, характеризующихся повышенным коэффициентом водонасыщения, где требуется усиление грунтов на большую глубину, данный способ мало пригоден.

Известен способ закрепления грунтов оснований зданий и сооружений, предназначенный для использования на лессовых грунтах, и заключающийся в образовании вертикальных скважин, заполняемых нагнетанием в них, с гидроразрывом грунта, закрепляющего раствора, после выдержки которого до набора закрепленным массивом грунта задаваемой прочности производят образование наклонных скважин, оси которых пересекаются или перекрещиваются под укрепляемой зоной, заполняемых также с гидроразрывом грунта закрепляющим раствором [2].

Недостатком известного способа является ограничение его использования для грунтов с небольшим коэффициентом водонасыщения, т.е. для лессовых и дисперсных грунтов, в которых закрепляющий раствор образует уплотненные зоны. Для иловатых грунтов, характеризующихся высоким коэффициентом водонасыщения, закрепляющие растворы, попадая в среду с повышенным содержание влаги, могут вымываться, снижать концентрацию активных компонентов, и не обеспечивают закрепления грунта.

Наиболее близким техническим решением по существу является способ улучшения массива лессового просадочного грунта в основаниях зданий и сооружений, включающий формирование на поверхности улучшаемого массива, перед образованием скважин, распределительного несущего элемента и создание каркасно-ячеистой структуры из уплотненных и упрочненных элементов, образуемых путем поинтервального нагнетания в скважины закрепляющего раствора и твердеющего материала [3]. При этом нагнетание пульпы в скважины ведут с гидроразрывом грунта. Объем уплотненных зон в каркасно-ячеистой структуре доводится до половины объема массива. Один ряд скважин размещают за пределами контура несущего элемента и в нем формируют упрочненные элементы законтурного экрана.

Недостатком известного способа является непригодность его для слабых, водонасыщенных, например иловатых, грунтов, т.к. формирование уплотненных грунтовых зон между упрочненными элементами ведется подачей водно-грунтовой пульпы, что в иловатых грунтах не эффективно из-за их высокой водонасыщенности и повышенной пластичности. Кроме того, неуправляемость процесса формирования упрочненных элементов, которые образуются при нагнетании твердеющего материала в уплотненных зонах, ведет к произвольному формированию упрочненных элементов, что усложняет формирование стабильной структуры в форме "завершенной структурной сетки" и требует дополнительных мероприятий по его завершению, увеличивая трудоемкость процесса создания системы "основание фундамент".

Задачей изобретения является повышение несущей способности водонасыщенных грунтов в основаниях промышленных сооружений путем придания каркасно-ячеистой структуре из упрочненных элементов в улучшаемом массиве грунта формы завершенной структурной сетки.

Данная задача решается за счет того, что в способе укрепления массива водонасыщенного грунта в основаниях зданий и сооружений, включающем формирование законтурного ряда упрочняющих грунт элементов по периметру укрепляемого массива, создание каркасно-ячеистой структуры из упрочняющих грунт элементов в зоне укрепляемого массива и образование на его поверхности распределительного несущего элемента, при этом формирование упрочняющих грунт элементов выполняют путем нагнетания в образуемые в грунте скважины твердеющего материала под давлением, согласно изобретению при укреплении массива иловатого водонасыщенного грунта формирование упрочняющих грунт элементов в законтурном ряду ведут с образованием противофильтрационного экрана с разомкнутым в зоне отвода воды контуром путем направленной подачи в скважины законтурного ряда твердеющего раствора по продольной оси экрана с одновременным направленным естественным и/или принудительным отводом воды, а в зоне укрепляемого массива заполнение скважин твердеющим материалом ведут по участкам, в пределах которых образуют ряды скважин с расположением рядов параллельно разомкнутому участку контура экрана и перпендикулярно ему, начиная с ряда, наиболее удаленного от разомкнутого участка контура экрана, также с одновременным направленным естественным и/или принудительным отводом воды, при этом скважины выполняют на всю глубину формируемых упрочняющих грунт элементов, соответствующую толщине укрепляемого массива водонасыщенного грунта.

Кроме того, формирование упрочняющих грунт элементов в законтурном ряду могут осуществлять двухщелевыми инъекторами с ориентацией щелей по продольной оси экрана

Кроме того, в зоне укрепляемого массива заполнение скважин могут вести четырехщелевыми инъекторами, щели которых располагают по продольным и поперечным осям рядов.

При этом заполнение скважин в рядах могут вести в последовательности через одну-три скважины по горизонтам, начиная с верхнего или нижнего, с возвратом к незаполненным скважинам после набора твердеющим материалом в предшествующей скважине 30-50% проектной прочности.

Кроме этого, по завершении формирования, по крайне мере, части упрочняющих грунт элементов, в твердеющий материал, по крайней мере, на часть высоты скважины, до набора прочности могут вводить арматурные стержни.

При этом арматурные стержни могут вводить в скважины, расположенные в шахматном порядке в смежных рядах.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где

на фиг. 1 представлена технологическая схема подачи раствора в скважины;

на фиг. 2 - разрез по высоте одного из участков улучшаемого массива;

на фиг. 3 - схема упрочнения одного из участков улучшаемого массива в плане;

на фиг. 4 - эскизы двухщелевых и четырехщелевых инъекторов, используемых при формировании упрочненных элементов в законтурном экране и в зоне массива.

Способ укрепления массива 11 водонасыщенного грунта в основаниях зданий и сооружений включает формирование законтурного ряда 12 упрочняющих грунт элементов 4 по периметру укрепляемого массива 11, создание каркасно-ячеистой структуры из упрочняющих грунт элементов 6 в зоне укрепляемого массива 11 и образование на его поверхности распределительного несущего элемента, при этом формирование упрочняющих грунт элементов 4, 6, выполняют путем нагнетания в образуемые в грунте скважины твердеющего материала под давлением. При укреплении массива 11 из иловатого водонасыщенного грунта формирование упрочняющих грунт элементов 4 в законтурном ряду 12 ведут с образованием противофильтрационного экрана с разомкнутым в зоне отвода воды контуром 13 путем направленной подачи в скважины 4 законтурного ряда 12 твердеющего раствора по продольной оси экрана с одновременным направленным естественным и/или принудительным отводом воды, а в зоне укрепляемого массива 11 заполнение скважин 6 твердеющим материалом ведут по участкам, в пределах которых образуют ряды скважин с расположением рядов параллельно разомкнутому участку контура 13 экрана и перпендикулярно ему, начиная с ряда, наиболее удаленного от разомкнутого участка контура 13 экрана, также с одновременным направленным естественным и/или принудительным отводом воды, при этом скважины выполняют на всю глубину формируемых упрочняющих грунт элементов 4, 6, соответствующую толщине укрепляемого массива водонасыщенного грунта.

Формирование упрочняющих грунт элементов 4 в законтурном ряду осуществляют двухщелевыми инъекторами 5 с ориентацией щелей по продольной оси экрана, а в зоне укрепляемого массива заполнение скважин ведут четырехщелевыми инъекторами, щели которых располагают по продольным и поперечным осям рядов. При этом заполнение скважин в рядах ведут в последовательности через одну-три скважины по горизонтам, начиная с верхнего или нижнего, с возвратом к незаполненным скважинам после набора твердеющим материалом в предшествующей скважине 30-50% проектной прочности.

Кроме этого, по завершении формирования, по крайне мере, части упрочняющих грунт элементов 4,6, в твердеющий материал, по крайней мере, на часть высоты скважины, до набора прочности вводят арматурные стержни (на чертежах не показано). При этом арматурные стержни вводят в скважины, расположенные в шахматном порядке в смежных рядах.

Предлагаемый способ осуществляется в следующей последовательности. На строительной площадке (в зоне производства работ) монтируется узел 1 по приготовлению твердеющего раствора, например, песчано-цементного, технологические временные трубопроводы 2 для подачи воды и раствора из узла к месту производства работ. По незамкнутому периметру усиливаемого массива 11, в частности, по трем его сторонам, посредством агрегата 3 для бурения скважин 4 (на фиг. 2 и 3), с шагом около 3 м, выполняются скважины для формирования законтурного экрана. Скважины бурятся на глубину усиления, равную высоте слоя иловатых грунтов, определенную в результате предшествующих исследований.

В пробуренные скважины законтурного ряда, в каждую вторую, с использованием агрегата 3 для бурения скважин, вставляются двухщелевые инъекторы 5, соединяемые с технологическими трубопроводами подачи раствора быстроразъемными соединениями.

Создание вертикального законтурного экрана осуществляется подачей твердеющего раствора в скважины через инъекторы 5 поэтапно, по горизонтам высотой от 1,0 до 2,0 м. Сначала производится усиление грунтов верхнего горизонта экрана, затем, в последовательности "сверху вниз", усиление грунтов последующих по глубине горизонтов. Количество горизонтов по глубине определяется высотой укрепляемой зоны.

Нагнетание раствора производят под давлением 5-15 атм при минимальной скорости подачи раствора. Перед началом подачи раствора в инъектор затрубное пространство скважины тампонируется грунтом для предотвращения прорыва твердеющего раствора на поверхность. После заполнениия первично заполняемых скважин на всю глубину осуществляют заполнение в такой же последовательности оставшихся скважин законтурного ряда.

После формирования законтурного экрана приступают к последовательному укреплению участков в зоне укрепляемого массива созданием в грунте каркасно-ячеистой структуры из упрочненных элементов 6, форма которых задается четырехщелевыми инъекторами.

Скважины укрепляемого участка выполняются также на всю глубину слоя иловатых грунтов, в них помещают четырехщелевые инъекторы с размещением щелей по осевым линиям укрепляемого участка и производят подачу раствора в тампонированные грунтом скважины по горизонтам, заполняя скважины в ряду I, (на фиг.3), последовательно через 1-3, в зависимости от степени водонасыщенности грунта, и возвращаясь к формированию упрочненных элементов в незаполненных скважинах в рядах после заполнения предшествующих скважин на всю высоту.

Далее приступают к формированию упрочненных элементов в скважинах ряда II в такой же последовательности, затем ряда III и т.д., перемещаясь по участку в сторону открытой стороны периметра. Формированием последнего ряда замыкается укрепляемый участок. Далее переходят к укреплению соседнего участка в укрепляемом массиве.

Предлагаемый способ улучшения иловатых водонасыщенных грунтов в основании зданий и сооружений обеспечивает возможность улучшения слабых, водонасыщенных грунтов, практически непригодных для строительства промышленных сооружений, сокращая при этом трудоемкость создания системы "основание фундамент" на 30-50%, благодаря исключению необходимости формирования котлованов и выборки грунтов на больших площадях и большие глубины.

Укрепление водонасыщенных грунтов, в частности, иловатых, традиционными способами - разработкой котлована и замещением иловатых грунтов доброкачественными, с последующим их уплотнением и формированием в уплотненных зонах упрочненных элементов экономически нецелесообразно из-за чрезвычайно высокой трудоемкости и энергоемкости. При традиционных технологиях укрепления водонасыщенных грунтов возникает также опасность затопления котлована, что потребует дополнительных мероприятий по его осушению.

Предлагаемый способ позволяет решать задачу укрепления грунтов в основаниях промышленных сооружений на побережьях морей, в болотистых местностях, в поймах рек.

Предлагаемое формирование упрочненных элементов в законтурном экране по незамкнутому периметру распределением твердеющего раствора в скважинах по продольной оси экрана, а в скважинах формируемого массива по участкам и порядно, с направлением повышенного давления по перпендикулярным осям улучшаемых участков, обеспечивает их пространственную ориентированность, благодаря созданию в массиве улучшаемого участка упрочненных элементов, уподобленых деревьям с направленным расположением корневой системы, что позволяет создать в укрепляемом массиве завершенную структурную сетку.

В зоне, примыкающей к формируемым в скважинах бетонным телам, происходит упрочнение грунта, вследствие проникания твердеющего раствора по трещинам, микротрещинам и зонам смятия. Это обуславливает формирование в полостях и порах грунта пластин и перегородок из закачанного твердеющего раствора и повышению стабильности образуемых упрочненных элементов. Кроме того, при уплотнении грунта формируемыми упрочненными элементами с их боковыми пластинами и перегородками, часть влаги, содержащейся в иловатых водонасыщенных грунтах, иммобилизуется (лишается возможности перемещения) в образовавшемся замкнутом объеме и, подвергаясь давлению так же, как и все элементы грунта, участвует в создании преднапряжения грунта, повышающего жесткостные характеристики укрепляемого массива.

Наличие в укрепляемой зоне упрочненных элементов 6, выполненных на глубину водонасыщенных иловатых грунтов и формирующих завершенную структурную сетку из упрочненных элементов и уплотненного грунта, заключенного между ними, повышает несущую способность грунта благодаря созданию жесткой стабилизированной структуры.

Введение внутрь упрочненных элементов металлических стержней обеспечивает их целостность, увеличивает жесткость структурной сетки, что также повышает несущую способность укрепленного массива.

Стабилизированная и жесткая структурная система, образованная под распределительным несущим элементом в зоне иловатых водонасыщенных грунтов, обеспечивает передачу и перераспределение нагрузки от промышленного объекта на более твердое основание под укрепляемым массивом.

Заявляемый способ реализован в "Проекте усиления грунтов основания перегрузочного комплекса, сооружаемого в порту Темрюк", сущность которого приводится в качестве примера, поясняемого иллюстрациями.

Источники информации

1. Отчет по научно-исследовательской работе "Разработать технологию устройства нулевых циклов промышленных зданий и сооружений в виде геотехногенных структур", с. 7-8, рис. 1.2. (Копия прилагается).

2. Описание изобретения к патенту РФ 2103441, кл. Е 02 D 3/12, опубл. 27.01.98, БИ 3.

3. Описание изобретения к авторскому свидетельству 1294910, кл. Е 02 D 3/12, 3/10, опубл. 07.03.87, БИ 9 (прототип).