способ защиты фундаментов сооружений от деформаций пучения в условиях глубокого сезонного промерзания

Формула изобретения

Способ защиты фундаментов сооружений от деформаций пучения в условиях глубокого сезонного промерзания, включающий разметку на поверхности грунта центров зон уплотнения и уплотнение грунта, отличающийся тем, что зоны уплотнения располагают на осях или вдоль осей фундаментов с перекрытием друг друга, а уплотнение производят путем одновременного образования скважины с раскатыванием ее стенок, затем в скважину добавляют материал, изменяющий свойства пучинистого грунта и вкатывают его в стенки скважины, после чего производят заполнение скважин непучинистым материалом с последующим уплотнением, при этом глубина раскатанной скважины не менее глубины сезонного промерзания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительству, а именно к сооружениям, возводимым на пучинистых при промерзании и просадочных при оттаивании грунтах.

Известен способ устройства фундаментов в вытрамбованных котлованах, когда с целью изменения плотности пучинистого грунта естественного сложения и, как следствие, уменьшения интенсивности его пучения для вытрамбования котлованов применялась трамбовка в виде усеченной пирамиды (В.С.Сажин, В.Я.Шишкин, А.С.Волох. Проектирование и строительство фундаментов сооружений на пучинистых грунтах. - Саратов: изд-во Саратовского Университета, 1988. - 235 с.; С.214) [1]. Ограниченность рассматриваемого способа заключается в наличии значительных динамических воздействий на близкорасположенные здания и сооружения; невозможности качественного уплотнения всего промерзающего слоя грунта в районах с глубоким сезонным промерзанием, значительные энергозатраты, трудоемкость при его реализации.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ защиты сооружений на локально-уплотненных пучинистых грунтах (Жулин В.Я. Исследование совместной работы локально-уплотненных оснований и мелко заглубленных фундаментов на пучинистых грунтах. Автореф. диссерт. канд. техн. наук. - М., 1974) [2]. Способ осуществляется путем забивки в грунт с последующим извлечением из него специального металлического уплотнителя, образующего в грунте гнездо. В основании гнезда создается уплотненное грунтовое ядро, обладающее непучинистыми свойствами.

В качестве недостатков известного способа можно перечислить следующие:

- забивка уплотнителя производится сваебойным агрегатом, а его извлечение - лебедкой сваебоя. В образовавшееся гнездо устанавливается сборный железобетонный фундамент. Таким образом, на изготовление одного фундамента требуется несколько операций, характеризуемых высокими материальными и энергетическими затратами, а также значительной трудоемкостью;

- ограниченность размеров уплотненного грунтового ядра в сравнении с мощностью промерзающего слоя не позволяет устранить пучинистые свойства грунта на всю глубину промерзания;

- невозможность внедрения в зону уплотнения в достаточном объеме материалов, изменяющих свойства грунтов промерзающего слоя;

- невозможность применения в стесненных городских условиях ввиду деформирования существующих зданий и сооружений от динамических воздействий.

Ограниченность способа по прототипу заключается также в том, что его можно применить только для нового строительства. Для защиты фундаментов существующих сооружений от деформаций пучения, а также повышения несущей способности их оснований известный способ применить нельзя.

Предлагаемый способ позволяет эффективно защищать фундаменты сооружений от деформаций пучения и расширить возможности этой защиты за счет внедрения в уплотняемую зону различных материалов, ликвидирующих пучинистые свойства грунтов.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что в способе защиты фундаментов сооружений от деформаций пучения в условиях глубокого сезонного промерзания, включающем разметку на поверхности грунта центров зон уплотнения и уплотнение грунта, зоны уплотнения располагают на осях или вдоль осей фундаментов с перекрытием друг друга, а уплотнение производят путем одновременного образования скважины с раскатыванием ее стенок, затем в скважину добавляют материал, изменяющий свойства пучинистого грунта, и вкатывают его в стенки скважины, после чего производят заполнение скважины непучинистым материалом с последующим уплотнением, при этом глубина раскатанной скважины не менее глубины сезонного промерзания.

Заявленное техническое решение отличается от прототипа тем, что в качестве элементов, повышающих эффективность защиты фундаментов сооружений от деформаций пучения, используют вкатывание материала, изменяющего свойства пучинистого грунта, в стенки предварительно раскатанной скважины, причем глубина создаваемых таким образом зон непучинистого грунта соответствует глубине сезонного промерзания грунтов.

Процесс защиты фундаментов сооружений от деформаций пучения в условиях глубокого сезонного промерзания можно объяснить следующим образом.

В соответствии с “Рекомендациями по учету и предупреждению деформаций и сил морозного пучения грунтов” М.: ПНИИС Госстроя СССР, 1986) [3] при оценке влияния плотности грунтов на пучение необходимо принимать во внимание характер системы грунта: двухфазную (скелет-вода) и трехфазную (скелет-вода-воздух). В этой связи процесс изменения интенсивности пучения грунта в зависимости от увеличения его плотности будет в каждой системе происходить по-разному. В двухфазной системе при возрастании плотности грунта наблюдается снижение влагосодержания и удельного потока воды, причем последний при определенных условиях может быть равен нулю. Следствием этого и будет уменьшение интенсивности пучения грунта. При водонасыщении грунтов увеличение их плотности приводит к уменьшению деформаций и сил пучения [1]. Это объясняется тем, что уплотнение грунта сопровождается его “перемятием” и увеличением прочно связанной воды на этой поверхности [2]. В трехфазной системе [1] при уплотнении происходит уменьшение объема пор, интенсивность пучения возрастает до некоторого значения, названного условной плотностью. Значение этой плотности ориентировочно составляет 0,8...0,9 от оптимальной плотности грунта, равной наибольшей плотности при стандартном уплотнении. Согласно [3], если грунт, находящийся при значении его плотности, равной по величине условной плотности, подвергнуть дальнейшему уплотнению, то его интенсивность пучения будет понижаться пропорционально уменьшению потока миграционной влаги и при так называемой критической плотности будет равна нулю. При последующем уплотнении этого грунта пучение его за счет начального влагосодержания не выйдет за пределы слабопучинистых грунтов.

Другим положительным моментом уплотнения грунта является прекращение миграции влаги из нижних слоев, что также способствует уменьшению деформаций пучения.

Следующей необходимой процедурой в заявленном способе является добавление в скважину материала, изменяющего свойства пучинистого грунта, и вкатывание его в стенки скважины.

Под материалом, изменяющим свойства пучинистого грунта, понимается в широком смысле этого слова все материалы, которые в подавляющем большинстве в чистом виде не могут служить основанием сооружения, но при введении в пучинистые грунты или их специальной обработке стабилизируют морозоопасное основание.

Речь идет о физических противопучинистых мероприятиях, когда в стенки скважины вкатывают противопучинистые компенсирующие добавки (ПКД). Эти вещества или добавки (ПКД) обладают определенными объемно-деформационными свойствами. Применение ПКД способно компенсировать пучение грунта при замерзании и его просадочность при оттаивании.

В качестве ПКД (Рекомендации по учету и предупреждению деформаций и сил морозного пучения грунтов. - М.: ПНИИС Госстроя СССР, 1986. - 72 с.) могут быть использованы жесткие полимеры, имеющие большой коэффициент объемного расширения, изменяющие свой объем в соответствии с изменением температуры окружающего грунта;

- высокоэластичные полимеры (типа резин), способные обратимо деформироваться при многократно действующем периодическом давлении, равном 0,05-0,1 МПа;

- полимеры, обладающие одновременно свойствами соединений первой и второй группы.

Зная численные значения параметров, характеризующих процесс пучения для конкретных грунтовых условий, можно по известным формулам подобрать группу ПКД и объем добавок для стабилизации пучинистых грунтов. Таким образом, имея спектры ПКД, можно оптимизировать процесс управления свойствами пучинистых грунтов, сочетая техническую и экономическую целесообразность в одном способе.

Таким образом, создание зон уплотнения путем одновременного образования скважины с раскатыванием их стенок на всю глубину сезонного промерзания и с последующим добавлением в скважины материала, изменяющего свойства пучинистого грунта, и вкатывания его в стенки скважин является профилактическим средством борьбы с деформациями пучения. В отличие от прототипа, где уплотненное грунтовое ядро обладает ограниченными, в сравнении с мощностью промерзающего слоя, размерами, в заявленном способе зоны уплотнения, перекрывая друг друга, создают сплошной массив грунта, обладающего непучинистыми свойствами, на всю глубину сезонного промерзания. Размеры упомянутого массива в плане могут быть самыми разнообразными. В первом случае, когда зоны уплотнения располагают на осях фундаментов, ширина массива непучинистого грунта может соответствовать минимально возможной по условию несущей способности талого грунта ширине фундамента. В других случаях зоны уплотнения располагают либо в несколько рядов вдоль осей фундаментов, либо путем уширения зоны уплотнения за счет вкатывания в стенки раскатанной скважины материала, изменяющего свойства пучинистого грунта.

На фиг.1 показана зона уплотнения 1 в слое пучинистого грунта 2, скважина 3, раскатчик 4, глубина сезонного промерзания 5, ось 6 фундамента 7. На фиг.2 - вид А-А на фиг.1. На фиг.3 показан слой пучинистого грунта 2, скважина 3, глубина сезонного промерзания 5, материал, изменяющий пучинистые свойства грунта 8, непучинистый материал засыпки скважины 9.

Реализация способа защиты фундаментов от деформаций пучения в условиях глубокого сезонного промерзания осуществляется в следующей последовательности:

Изменения свойств пучинистого грунта путем создания зон уплотнения.

На поверхности пучинистого грунта 2 производят разбивку осей 6 фундаментов 7 (см. фиг.1).

На осях 6 фундаментов 7 или вдоль них размечают положение центров зон уплотнения 1 в предположении, что упомянутые зоны должны перекрывать друг друга (см. фиг.2). Предварительно диаметр зон уплотнения 1, который может быть получен после раскатки скважины 3, определяют по аналитическому выражению в зависимости от диаметра скважины, плотности сухого уплотненного грунта, плотности сухого грунта естественного сложения.

Устанавливают острие раскатчика 4 по центру зоны уплотнения 1.

Валу буровой установки передают вращение М и продольное усилие N (см. фиг.1). При этом катки раскатчика начинают обкатывать грунт, внедряясь в него и образуя при этом скважину. В этом случае грунт не извлекается на поверхность, а вкатывается в окружающий скважину массив, формируя зону уплотнения (Свирщевский В.К. Проходка скважины в грунтах способом раскатки. - Новосибирск: Наука, Сиб. Отд. АН СССР, 1982). После проходки скважины 3 на глубину сезонного промерзания 5 раскатчик 4 извлекается на поверхность, а в скважину 3 порционно добавляют материал 8, изменяющий свойства пучинистого грунта 2, и с помощью раскатчика 4 вкатывают указанный материал в стенки скважины 3.

Таким образом создается уширение зоны уплотнения 1 путем вкатывания нескольких порций материала 8, изменяющего свойства пучинистого грунта 2. Объем уширения может быть определен расчетом и проверен результатами испытаний на опытных площадках. Так, образование в устье скважины выпора грунта и радиальных трещин свидетельствует об окончании формирования зоны уплотнения 1.

Скважина 3 порционно заполняется непучинистым материалом 9 с уплотнением. Для этого вал буровой установки, на конце которого закреплен раскатчик 4, опускают в скважину 3, частично заполненную непучинистым материалом 9. Валу буровой установки передают продольное осевое сжимающее усилие. Уплотнение производится при помощи раскатчика 4, циклически перемещаемого вверх-вниз. Во время перемещения вверх порциями добавляют непучинистый материал 9.

Также выполняют и другие зоны уплотнения 1, расположенные по осям 6 или вдоль них с перекрытием друг друга.

В предлагаемом изобретении положительный эффект заключается в следующем: снижение до минимума деформаций пучения, действующих на фундаменты сооружений; обеспечение устойчивости фундаментов сооружений в течение всего процесса их эксплуатации на морозоопасном основании; относительно низкая стоимость реализации способа; высокая надежность способа в условиях глубокого сезонного промерзания грунтов.