СПОСОБ ЗАЩИТЫ ГРУНТОВЫХ ОСНОВАНИЙ ЗДАНИЙ ОТ СУФФОЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ
METHOD FOR PROTECTION OF BUILDING EARTH FOUNDATIONS AGAINST SUFFOSION PROCESSES

Изобретение относится к строительству, а именно к борьбе с суффозионными процессами, возникающими при затоплении зданий, например, расположенных в пойме рек.
Известен способ осушения породы или уменьшения скоростей движения воды по породе до безопасных величин. (Справочник по инженерной геологии, под ред. М.В.Чуринова. - Москва, НЕДРА, 1981 г., с.107). Для уменьшения скоростей подземного потока в зоне его разгрузки устраивают обратные фильтры, т.е. отсыпку водопроницаемых пород слоями в порядке постепенного возрастания размера частиц от мелких к крупным в направлении фильтрационного потока (В.Д.Ломтадзе - Инженерная геология. Инженерная геодинамика. - Ленинград, Недра, 1977 г., с.244).
Недостатки рассматриваемого способа заключаются в невозможности осушения породы и снижении скоростей движения воды в условиях затопления основания здания, т.е невозможности применения для зданий, подвергающихся затоплению.
Известен способ борьбы с суффозией, заключающийся в искусственной цементации породы (Справочник по инженерной геологии, под ред. М.В.Чуринова. - Москва, НЕДРА, 1981 г. с.107).
Недостатки рассматриваемого способа заключаются в высокой трудоемкости и значительной стоимости реализации ввиду большого объема работ и необходимости применения специального оборудования для приготовления и инъецирования цементного раствора в грунтовое основание здания, а также невозможности создания сплошного искусственного геомассива с низкими фильтрационными свойствами в условиях полного водонасыщения грунтов при затоплении территории.
Техническим результатом изобретения является разработка эффективного и надежного способа защиты зданий от суффозионных процессов, возникающих при затоплении здания.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что в способе защиты грунтовых оснований зданий от суффозионных процессов, проявляющихся в результате затопления здания, осуществляют бурение скважин в основании здания, производят отбор проб грунта в скважинах, по полученным пробам определяют значение критического градиента напора и критический путь фильтрации, возводят в грунтовом основании здания вокруг фундамента водонепроницаемую стенку, при этом расстояние между фундаментом и водонепроницаемой стенкой, а также глубину заложения водонепроницаемой стенки от дневной поверхности выбирают в зависимости от величин критического градиента и критического пути фильтрации, заполняют пространство между фундаментом здания и водонепроницаемой стенкой водопроницаемым материалом, состоящим из частиц одного размера, а пространство между фундаментом в уровне его подошвы и водонепроницаемой стенкой заполняют слоем водонепроницаемого материала, у внутреннего края водонепроницаемой стенки в водонепроницаемом слое выполняют дренажные отверстия с сетками, а заполнение слоем водонепроницаемого материала осуществляют с разделением слоя на участки, в каждом из которых поверхность выполняют с уклоном к дренажному отверстию, обеспечивающим сток воды в отверстие.
Заявленный способ в отличие от известных позволяет защищать здание от суффозионных процессов в случае их затопления, повышает эксплуатационную надежность зданий, снижает стоимость реализации способа.
Для этого используют:
- бурение скважин рядом с наружным краем фундамента на глубину активной зоны;
- отбор проб грунта;
- проведение испытаний проб грунта с целью определения критического градиента напора;
- проведение расчетов по полученным результатам с целью получения критического пути фильтрации;
- возведение водонепроницаемой стенки по периметру здания на расстоянии от него большим, чем полученный критический путь фильтрации;
- заполнение пространства между фундаментом здания и водонепроницаемой стенкой водопроницаемым материалом, состоящим из частиц одного размера;
- размещение слоя водонепроницаемого материала, равномерно разделенного в горизонтальном направлении на участки, имеющие уклоны к дренажным отверстиям;
- установку дренажных отверстий с сеткой у внутреннего края водонепроницаемой стенки.
Процесс защиты зданий от суффозионных процессов можно объяснить следующим образом.
Как известно, одним из способов защиты здания от суффозионных процессов является искусственная цементация грунта, при этом возникают трудности с созданием сплошного искусственного водонепроницаемого геомассива. Вследствие неоднородного строения грунтов, различия в их фильтрационных свойствах инъекция цементного раствора в грунт не может привести к созданию сплошного водонепроницаемого массива. При этом стоимость реализации способа может оказаться чрезвычайно высокой при недостаточной его надежности.
В этом случае возникает необходимость объективной оценки свойств грунтов оснований, а именно фильтрационных и суффозионных по всей площади, занимаемой зданием. В заявленном способе оценка аналогичных свойств производится только в зонах основания, непосредственно угрожающих устойчивости здания при проявлении суффозионных процессов. Для этого производят бурение скважин рядом с наружным краем фундамента на глубину сжимаемой зоны. Это объясняется необходимостью отбора проб грунта для оценки суффозионных процессов в основании здания, а также для последующих испытаний с целью определения критического градиента напора. Далее выполняют расчеты для определения глубины заложения пола подвала здания, как самых низких его отметок, поверхности грунта, затапливаемой при наводнении, и глубины затопления. Затем производят изучение суффозионного процесса в рассматриваемом грунте. Для этого проводят испытания полученных проб грунта в приборе с целью определения величины критического градиента напора, при котором начнется суффозионный процесс, а также допустимых градиентов напора и допустимого процента возможного вымыва мелких частиц. Это позволяет обоснованно выбрать конструктивные мероприятия, обеспечивающие фильтрационную прочность грунта в основании здания. Испытаниям должны быть подвергнуты образцы одного и того же грунта, начиная с величины градиента равной 1 (единице), по нарастающей до критического градиента напора, при котором начинается процесс выноса мелких частиц водным потоком.
Полученные результаты анализируют. Используя известную формулу градиента напора I=(H1-H2)/L, при значении I (первого) критического, полученного в приборе, при известных значениях H1 и Н2 в лабораторных и натурных условиях, получают численное значение длины пути фильтрации L, соответствующей I критическому в натурных условиях. На основании полученных данных возводят в грунтовом основании водонепроницаемую стенку по периметру здания на расстоянии от него большим, чем полученный путь фильтрации, соответствующий I критическому. Дополнительно по расчету водонепроницаемая стенка может быть заглублена значительно ниже подошвы фундамента с целью увеличения длины пути фильтрации.
Производят заполнение пространства между стеной здания и водонепроницаемой стенкой водопроницаемым материалом, состоящим из частиц одного размера. Такое решение обосновано следующими соображениями:
- известно, что крупные частицы образуют скелет грунта, а мелкие находятся в его порах в свободном состоянии. В случае, если размеры мелких частиц оказываются меньше размеров пор скелета грунта, то они свободно выносятся из скелета. С другой стороны, передача внешней распределенной нагрузки на такие грунты способствуют созданию в грунтах напряженного, т.е. «защемленного» состояния, когда частицы грунта не могут вырываться фильтрационным потоком. Следовательно, заполнение пространства между стеной здания и водонепроницаемой стенкой водопроницаемым материалом, состоящим из частиц одного размера, решает вышеупомянутые задачи, а именно:
- исключает возможность проявления суффозионных процессов в водопроницаемом материале, например песке;
- снижает вероятность суффозии в грунтовом основании здания, находящемся под нагрузкой, создаваемой водопроницаемым материалом, состоящим из частиц одного размера.
Между подошвой фундамента и водонепроницаемой стенкой размещают слой водонепроницаемого материала, равномерно в горизонтальном направлении разделенный на участки, имеющие уклоны в продольном и поперечном направлениях к дренажному отверстию. При воздействии атмосферных вод на пространство между фундаментом здания и водонепроницаемой стенкой, заполненное водопроницаемым материалом, состоящим из частиц одного размера, необходимо обеспечить фильтрацию воды в основание. При подъеме уровня грунтовых вод снизу, в случае затопления здания должна быть обеспечена возможность беспрепятственной фильтрации воды в вертикальном направлении вверх, а также вниз (при понижении грунтовых вод) в упомянутом пространстве. В противном случае создается гидродинамический напор, который отрицательно будет влиять на общую устойчивость здания. Возможность беспрепятственной фильтрации реализуется за счет применения водопроницаемого материала, состоящего из частиц одного размера. Для обеспечения организованного водоотвода из пространства между фундаментом и водонепроницаемой стенкой размещают слой водонепроницаемого материала, например бетона, равномерно в горизонтальном направлении разделенного на участки, имеющие уклоны в продольном и поперечном направлениях к дренажным отверстиям с сетками, служащим для пропуска воды. Назначение сеток - предохранять отверстия от забивки частицами водопроницаемого материала.
Размеры водонепроницаемого слоя в горизонтальном направлении, начиная от дренажных отверстий, должны превышать критический путь фильтрации для горизонтального его участка. Тем самым обеспечивается защитный пояс по периметру здания. Ширина этого пояса должна быть больше длины пути фильтрации, соответствующей критическому градиенту. При этом условии и в соответствии с ожидаемой отметкой затопления территории и отметкой пола подвала развитие суффозионных процессов будет остановлено.
Используя данные многолетних наблюдений за разливами рек в конкретном регионе, можно составить прогнозную таблицу отметок затопления территории. На основании этой таблицы могут быть выполнены расчеты критического пути фильтрации для самых неблагоприятных условий.
На фиг.1 и 2 показаны: фундамент 1, пол подвала 2, стена здания 3, перекрытие 4, водонепроницаемая стенка 5, уровень воды при затоплении 6, водопроницаемый материал, состоящий из частиц одного размера 7, уровень воды в подвале, появившийся в результате затопления 8, условная длина пути фильтрации 9, активная зона (зона сжатия) 10, слой водонепроницаемого материала 11, дренажное отверстие 12, сетки над дренажными отверстиями 13, уклоны в продольном и поперечном направлениях 14.
Реализация способа защиты грунтовых оснований зданий от суффозионных процессов осуществляется в следующей последовательности:
- рядом с наружным краем фундамента 1 в его основании производят бурение скважин на глубину активной зоны 10 для отбора проб грунта;
- производят расчет глубины заложения пола подвала 2 здания и уровня воды при затоплении 6, отметок поверхности грунта затапливаемой при наводнении территории;
- проводят испытание проб грунта с целью определения критического градиента напора I;
- используя известную формулу градиента напора I=(H1-H2)/L при значении I критического, полученного в приборе, при известных значениях H1 и Н2 в лабораторных и натурных условиях получаем численное значение длины пути фильтрации 9, соответствующей I критическому;
- возводят в грунтовом основании водонепроницаемую стенку по периметру здания на расстоянии от него большим, чем полученный путь фильтрации, соответствующий I критическому. Дополнительно по расчету водонепроницаемая стенка может быть заглублена значительно ниже подошвы фундамента с целью увеличения длины пути фильтрации 9;
- размещают между подошвой фундамента 1 и водонепроницаемой стенкой 5 слой водонепроницаемого материала 11, разделенного на участки, имеющие уклоны 14 в продольном и поперечном направлениях. У внутреннего края водонепроницаемой стенки 5 в водонепроницаемом слое 11 устраивают дренажные отверстия 12, перекрытые сеткой 13;
- заполняют пространство между стеной здания и водонепроницаемой стенкой 5 водопроницаемым материалом с частицами одного размера 7. Сверху водопроницаемый материал 7 закрывается перекрытием 4.
Предлагаемое изобретение позволяет повысить эффективность защиты зданий от суффозионных процессов, а также повысить эксплуатационную надежность зданий при низкой стоимости реализации способа.