СПОСОБ УКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТА
METHOD OF SOIL REINFORCEMENT

Предлагаемое изобретение относится к области строительства и может быть применено при инженерной подготовке строительных площадок для нового строительства, а также для укрепления оснований существующих зданий при решении проблем несущей способности фундамента при надстройках этажности или реконструкции зданий.
6
Известен способ подготовки основания, включающий образование скважин с установкой инъекторов, замачивание, уплотнение и армирование массива грунта твердеющим раствором через гидроразрыв. С целью упрощения технологии, повышения надежности армирования и сокращения стоимости работ замачивание, уплотнение и армирование грунтового массива производят в одну стадию при подаче твердеющего раствора через направленный гидроразрыв, а армирование выполняют в виде системы вертикальных регулируемых плоских элементов повышенной жесткости (патент РФ № 2122068, МПК E02D 3/12, опубл. 20.11.1998).
Недостаток известного способа: применим только для связных дисперсных грунтов.
Известен способ уплотнения грунта, выбранный за прототип, который включает бурение скважин, установку в них инъекторов, имеющих перфорированную часть, нагнетание через инъекторы под пригрузом цементного раствора в грунт с обеспечением его гидроразрыва при давлении 3-20 атм, причем инъекторы после укрепления грунта не извлекают из него (патент РФ №2324788, МПК E02D 3/12, опубл. 20.05.2008).
Недостатки прототипа следующие: способ не применяется для некоторых типов грунтов, например карстовых; не предусмотрена возможность укрепления различных по глубине слоев грунта, обладающих отличными друг от друга свойствами; экономически неэффективен из-за большого расхода дорогостоящего цемента.
Сущность изобретения
Задачей изобретения является расширение области применения, повышение эффективности укрепления грунтовых массивов и удешевление работ.
Задача решается способом укрепления грунта, включающим бурение скважин, установку в них инъекторов, имеющих перфорированную часть, нагнетание через инъекторы под пригрузом инъекционного цементного раствора в грунт с обеспечением его гидроразрыва при давлении 5-20 атм, причем инъекторы после укрепления грунта не извлекают из него. В отличие от прототипа, в одну скважину устанавливают три различных по высоте инъектора, предназначенных для цементации различных по глубине слоев грунта, причем при установке в скважину трех инъекторов ее осуществляют таким образом, чтобы перфорированная часть каждого последующего инъектора располагалась ниже перфорированной части предыдущего, не перекрывая ее, при этом в цементный раствор, состоящий из цемента и воды, добавляют, или глину бентонитовую, или жидкое стекло, или глину бентонитовую и жидкое стекло, или цементную пыль и жидкое стекло, или цементную пыль, глину бентонитовую и жидкое стекло, или цементную пыль, песок мелкой фракции и жидкое стекло.
Согласно изобретению:
- скважины бурят по сетке, определяемой в зависимости от свойств грунтов;
- скважины бурят вертикально и/или наклонно, или лучевым расхождением;
- пригруз обеспечивают вышележащими естественными грунтами или телом сооружения;
- после установки каждого инъектора в скважину осуществляют его фиксацию пакером, который может быть как поверхностным, так и глубинным;
- при диаметре пробуренной скважины, превышающем диаметр инъектора более чем на 30 мм, затрубное пространство глухой части инъектора цементируют;
- до нагнетания инъекционного раствора производят обвязку инъекторов на уровне поверхности земли круглой сталью диаметром 10-20 мм или стальной проволокой посредством сварки;
- по контуру зоны укрепления грунта создают барьерный ряд инъекторов, в которые инъекционный раствор нагнетают в первую очередь, через 2 в каждый третий, трижды проходя круг по барьерному ряду, причем нагнетаемый раствор имеет более вязкую консистенцию по сравнению с раствором, нагнетаемым в инъекторы внутри барьерного ряда, и содержит быстротвердеющие добавки;
- инъекционный раствор подают в укрепляемую зону грунта через каждый инъектор поэтапно, создавая в ней послойное грунто-цементное соединение, причем после введения 1/3 проектного количества раствора инъектор промывают и заливают глино-бентонитовым раствором, перекрывают шаровым краном, устанавливаемым на каждый инъектор, отстаивают в таком положении сутки, после чего осуществляют дальнейшее нагнетание раствора;
- при установке в скважины инъекторов нагнетание инъекционного раствора через них осуществляют поэтапно, начиная от меньшего по высоте инъектора к большему или наоборот;
- в цементный раствор добавляют жидкое натриевое или калийное стекло;
- нагнетание инъекционного раствора по площади осуществляют поэтапно путем постепенного сближения, начиная с максимально удаленных друг от друга инъекторов.
Причинно-следственные связи
Цементный раствор подают через инъекторы под высоким давлением (5-20 атм), поэтому, попадая в грунт, он проникает через вызванные давлением гидроразрывы в каверны и трещины, расположенные между рядами инъекторов, заполняя их, что позволяет усиливать наиболее слабые зоны грунтового массива в максимальной степени. Зоны, в которые инъекционный раствор не проник, также усиливаются, так как меняют свои физико-механические свойства: в результате гидроразрыва, вызванного высоким рабочим давлением нагнетаемого раствора, сжимаются и уплотняются. Неизвлекаемые инъекторы служат элементами вертикального армирования грунта.
Установка в одну скважину трех инъекторов дает возможность укреплять различные по глубине слои грунта, обладающие своими особенностями и требующие растворов разного состава, и позволяет решать одновременно несколько задач: например, укрепление основания, противокарстовые мероприятия на глубине, снижение фильтрации.
Горизонтальное армирование с помощью обвязки наземной части инъекторов стальной проволокой (или полосой, или круглой сталью) препятствует выпору инъекторов и способствует их более жесткой посадке, предотвращению сдвижки при нагнетании в них раствора под высоким давлением и удержанию инъекторов на участках крутых склонов или откосов котлована.
Добавление в цементный раствор таких связующих добавок, как цементная пыль, песок, глина бентонитовая, удешевляет процесс укрепления грунтов и улучшает их физико-механические свойства. Цемент в этом случае в состав раствора входит лишь в небольшом количестве (20-50% от общего количества сухих смесей).
Барьерный ряд из инъекторов служит завесой для предотвращения выхода инъекционного раствора за границы зоны цементации. Нагнетание раствора через два инъектора в каждый третий дает возможность раствору схватываться быстрее, так как поступая в инъекторы через определенное расстояние, он связывается с грунтом, а не с раствором, поступающим из соседнего инъектора в случае сплошной цементации в каждый последующий инъектор.
Осуществление изобретения
Способ укрепления грунтов осуществляют следующим образом.
На первом этапе работ проводят разметку будущих скважин под забивку инъекторов. Скважины могут быть пробурены вертикально, наклонно или иметь лучевое расхождение в зависимости от стадии строительства (существующее сооружение или новое строительство).
Проектируют барьерный ряд инъекторов. После забивки всех инъекторов для их более жесткой посадки, предотвращения сдвижки при нагнетании в них раствора под высоким давлением и удержания инъекторов на участках крутых склонов или откосов котлована на уровне поверхности земли их обвязывают элементами горизонтального армирования (сталь круглая от 10-20 мм или стальная проволока).
В инъекторы барьерного ряда инъекционный раствор нагнетают в первую очередь, в более вязкой консистенции с применением быстротвердеющих добавок, что позволяет создать экран, препятствующий прорыву инъекционного раствора за пределы цементируемой зоны и дает ощутимую экономию расходных материалов.
Внутри барьерного ряда инъекторы забивают в предварительно пробуренные скважины по сетке. Размеры сетки определяются проектом и зависят от состава и свойств грунтов, их размер может быть от 1.5×1.5 м до 5×5 м. При установке в скважину трех инъекторов, предназначенных для поочередной цементации трех зон по различной глубине расположения, перфорированная часть каждого из них расположена ниже перфорированной части предыдущего, не перекрывая ее. При этом при установке двух инъекторов второй инъектор будет иметь глухую часть, равную перфорированной части первого инъектора, а при установке третьего инъектора высота его глухой части будет складываться из суммы высот перфорированных частей первого и второго инъектора для точного растекания инъекционного раствора по каждой из зон укрепления (цементации) по глубине. Например, 1-й инъектор имеет перфорированную часть 6 метров от отметки 0.00 (абсолютный ноль) 0-6 м, тогда второй инъектор длиной 12 м будет иметь глухую часть 6 метров от 0-6 м и перфорированную часть 6 м с 6-12 м от отметки 0.00.
Цементацию зон грунта по глубине производят поэтапно - нисходящим или восходящим способом (от более короткого инъектора к более длинному или наоборот).
Укрепление грунтов выполняют под пригрузом, создаваемым вышележащими естественными грунтами, телом сооружения или специальной плитой. Вес, деформационные свойства, несущая способность и водопроницаемость пригрузочного слоя должны обеспечивать проведение цементации при проектном давлении раствора без нарушения сплошности пригрузочного слоя и без утечки цементного раствора на поверхность или в пригрузочный слой. Цементацию ведут под рабочим давлением от 5-15 атм. Данное давление повышается при насыщении грунтов и отказ от принятия грунтами раствора происходит при давлении от 15-20 атм.
Порядок и условия проведения цементационных работ различен в зависимости от свойств грунтов, поставленных задач (противофильтрационные работы, геотехнические противокарстовые работы, усиление насыпных или суффозионных грунтов с целью улучшения их физико-механических свойств). Например, нагнетание растворов в трещиноватых скальных и закарстованных грунтах производят в одну зону, сразу на всю глубину цементации. Величина зоны устанавливается проектом.
По площади цементационные работы ведут постепенным сближением, начиная с максимальных расстояний между инъекторами, при которых гидравлическая связь между ними при нагнетании раствора практически отсутствует. В случае усложнения с нагнетанием проектного количества растворов инъекционный раствор подают в зону цементации через каждый инъектор поэтапно, создавая в зоне цементации послойное грунто-цементное соединение. После введения 1\3 проектного количества растворов скважину промывают и заливают глино-бентонитовым раствором, перекрывают шаровым краном, устанавливаемым на каждый инъектор. Отстаивают в таком положении сутки, после чего возобновляют работы по вводу через данную скважину в грунт оставшегося количества раствора.
По окончании цементационных работ надземную часть инъектора срезают и заливают цементной пробкой.
Примеры конкретного выполнения изобретения на различных объектах (5 объектов) отражены в таблицах 1-3.
Таблица 1
№ объекта
Вид грунтов, особенности
Цель работ по укреплению грунтов
Использованные добавки
1
Грунты сильноводопроницаемы, открытые карстовые полости, мергель, аргилит, песчаник, карстово-суффозионный процесс
Укрепление грунтов в основании свай, понижение фильтрации
Жидкое натриевое стекло, глина бентонитовая и жидкое калийное стекло
2
Оползневые, просадочные грунты и сульфатно-карбонатный карст(суглинки)
Укрепление грунтов основания
Жидкое натриевое стекло
3
Сульфатно-карбонатный карст, оползневые процессы, пучение грунтов, 2-якатегория грунтов
Укрепление грунтов основания, понижение фильтрации
Глина бентонитовая
4
Оползневые, просадочные грунты и сульфатно-карбонатный карст (насыпные грунты)
Устранение оползне-опасной ситуации
Жидкое калийное стекло
5
Насыпной неслежавшийся грунт, песок, щебень, обломки камня, прослойки грунта глины с песчаником
Увеличение несущей способности свай, забитых не по проекту, укороченных и в меньшем количестве
Цементная пыль, жидкое натриевое стекло
Таблица 3
№ объекта
Физико-механические свойства грунтов после укрепления
модуль деформации, МПа
удельное сцепление, МПа
коэффициент фильтрации, мсут
коэффициент пористости
угол внутреннего трения, град
плотность, г/см<sup>3</sup>
1
32-40
0,042-0,081
0,011-0,034
28-36
2,35-2,45,
2
28-30
0,2-0,3
0,27-0,44
0,63
21-24
1,96-2,2
3
40
2,3-2,55
4
20
0,1-0,25
21-24
5
37 т/с*
*Несущая способность сваи после укрепления
Как видно из таблиц, в результате применения изобретения достигается значительное улучшение физико-механических свойств грунтов.
Способ применим на любой стадии строительного производства и эксплуатации зданий и сооружений, при реконструкции и ликвидации аварийных ситуаций, связанных с необходимостью укрепления грунтов основания. Возможность применения способа на открытых и застроенных площадках, одновременно с возведением фундаментов, из подвалов, и.т.д., с относительно высокой скоростью производства работ за счет создания высокого давления (от 5 до 20 атм) при нагнетании уплотняющего раствора делает способ незаменимым, особенно в условиях необходимости быстрого производства работ.
Данный способ является экологически чистым, оборудование для производства работ не осуществляет вредных выбросов в атмосферу, так как работает от электрических блоков питания. Производство является почти безотходным.
Способ, в отличие от аналогов, предполагает более широкий контроль качества укрепленных грунтов по многим параметрам: модуль деформации, удельное сцепление, коэффициент пористости, угол внутреннего трения, плотность, сейсмоустойчивость и др.
Способ применим практически для всех видов грунтов: скальных и полускальных в основании зданий и сооружений, в том числе в откосах котлованов; закарстованных; несвязных (песок, гравий, галечник); насыпных и просадочных.
Также способ применим при ликвидации тектонических разрывов, трещин, экзогенных нарушений как путей фильтрации подземных природных и техногенных вод (понижениe фильтpации); при устройстве шпунтового ограждения (стена в грунте без изъятия грунта). Способ может быть использован для любых типов фундаментов: плитных, ленточных, столбчатых, а также свайных при необходимости повышения несущей способности свай.
В результате применения изобретения создается практически однородное грунтовое основание с высокой несущей способностью (так называемый «грунтомонолит»). Укрепленный грунт представляет собой новый техногенный массив, состоящий из природных грунтов, вкраплений цементного камня, других введенных в грунт компонентов и неизвлекаемых стальных инъекторов, являющихся вертикальным элементом армирования техногенного массива, который совместно с наземным строением образует единую пространственную структуру, обладающую высокой распределительной и несущей способностью. Применение данного способа позволяет после закрепления грунтов и улучшения их физико-механических свойств проектировать фундаментные плиты меньшей толщины, что уменьшает стоимость строительства всего объекта.
Применение данного способа в геотехнических противокарстовых мероприятиях позволяет перевести строительную площадку в более устойчивую относительно карстового провала или признать площадку по результатам инженерно-геологических изысканий более устойчивой (устойчивой к карстовому провалу). Это позволяет избежать дополнительных мероприятий при проектировании оснований зданий.
Таким образом, изобретение позволяет расширить область применения способа укрепления грунта, повысить его эффективность и удешевить работы по укреплению грунтов.