СПОСОБ УКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF SOIL REINFORCEMENT AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Технические решения относятся к строительству, в частности к упрочнению оснований под фундаменты зданий и сооружений путем уплотнения грунта, а также к формированию свай.
3
Известен способ уплотнения лессовых грунтов в основании зданий и сооружений по патенту РФ №2915247, кл. E02D 3/10, E02D 3/12, опубл. 30.06.1994 г., включающий нагнетание через инъектор лессовой пульпы под давлением до гидроразрыва грунта и замачивание его последующим нагнетанием цементно-песчаного раствора. Нагнетание пульпы осуществляют, постепенно наращивая давление до 3÷10 атм, со скоростью 2÷5 м/ч в течение времени, необходимого для образования трещины гидроразрыва в массиве. Затем скорость инъектирования пульпы уменьшают не менее чем в 2 раза для прекращения роста трещины гидроразрыва и замачивания зоны вокруг трещины. Нагнетание цементно-песчаного раствора ведут под давлением 3÷10 атм, уплотняя лессовый грунт в промоченной зоне до достижения пористости грунта 38÷40%.
Недостаток этого способа состоит в необходимости гидроразрыва грунта, в котором нагнетаемая жидкость движется по пути наименьшего сопротивления и стремится выйти на свободную поверхность. При этом если и возникает трещина, она имеет форму рукава с произвольной ориентацией.
Поэтому осуществлять способ и оценивать результаты его реализации затруднительно. Кроме этого требуются значительные затраты энергии на прокачку лессовой пульпы и цементно-песчаного раствора по каналам их подачи в зону уплотнения и соответствующая высоконапорная нагнетательная система. Все это обуславливает относительно низкую эффективность способа.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ укрепления грунта по патенту РФ №2407858, кл. E02D 3/12, опубл. 27.12.2010 г. Он включает образование скважины, размещение в ней растягивающейся герметичной оболочки, подачу уплотняющего вещества в зазор между стенками скважины и герметичной оболочкой, закачивание в эту оболочку гидравлической среды и создание давления этой среды. После создания давления гидравлической среды в герметичной оболочке выполняют сброс этого давления, в образовавшийся зазор между стенками частично укрепленной скважины и герметичной оболочкой дополнительно подают уплотняющее вещество. Затем цикл создания давления гидравлической среды в герметичной оболочке, его сброса и дополнительной подачи уплотняющего вещества повторяют.
В этом способе не исключена возможность выдавливания уплотняющего вещества из зоны уплотнения в зазор между стенками скважины и реализующим его устройством с образованием выше растягивающейся герметичной оболочки пробки, существенно препятствующей проведению дальнейших операций. Кроме этого для реализации способа требуется большое количество различного оборудования, в частности, для проходки скважины, создания давления в герметичной оболочке, подачи уплотняющего вещества в зазор, образованный растягивающейся герметичной оболочкой на значительной глубине от свободной поверхности. Все это обуславливает относительно низкую эффективность способа.
Известно устройство для образования направленных трещин в скважинах по патенту РФ №2182968, кл. E21C 37/12, опубл. 27.05. 2002 г., включающее трубу, выполненную с кольцевым упором на торце и продольными прорезями, и шток, размещенный в трубе с возможностью продольного перемещения. Труба заполнена неньютоновской жидкостью, а на ее торце со стороны кольцевого упора установлена тарельчатая пружина с вершиной, обращенной к штоку. В штоке выполнено поперечное отверстие, в котором установлен стержень, проходящий через продольные прорези.
Для работы этого устройства необходимо предварительное прохождение скважины. Оно предназначено для образования начальной трещины поперек скважины малым объемом неньютоновской жидкости, размещаемой в трубе. С увеличением объема неньютоновской жидкости существенно возрастает расход энергии на ее продавливание через трубу, так как в этом случае неньютоновская жидкость контактирует с трубой на большей площади и, следовательно, перемещается по ней с большим сопротивлением. Поэтому для уплотнения грунта оно малоэффективно.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство для разрушения горных пород по патенту РФ №2307934, кл. E21C 37/12, E21B 43/26, E21F 7/00, опубл. 10.10. 2007 г., включающее рабочий орган, размещенный в шпуре, заполненном неньютоновской жидкостью, и средство приложения к рабочему органу периодической ударной нагрузки. Оно снабжено направляющей трубой, в которую с возможностью продольного перемещения вставлено средство приложения к рабочему органу периодической ударной нагрузки, выполненное в виде штанги. Рабочий орган выполнен в виде поршня, установленного соосно с направляющей трубой с возможностью контакта с торцом штанги.
Для работы этого устройства необходима скважина с прочными стенками, исключающими поворот рабочего органа в плоскостях, проходящих через ось скважины, обуславливающий его существенное отклонение от заданной траектории. Возможно также разрушение пройденной в грунте скважины из-за контакта с ее стенками стержня, выходящего нижним концом за пределы направляющей трубы. Поэтому использование этого устройства для уплотнения грунта малоэффективно.
Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности способа за счет увеличения плотности грунта внедрением в него растягивающейся герметичной оболочки, распираемой подачей в нее уплотняющего вещества, формирования сваи с опорой в основании и в повышении эффективности устройства за счет расширения его возможности на создание сваи с опорой в основании.
Задача решается тем, что в способе укрепления грунта, включающем образование скважины, размещение в ней растягивающейся герметичной оболочки и подачу уплотняющего вещества, согласно техническому решению скважину образуют вбиванием в грунт трубы с заглушкой на конце и растягивающейся герметичной оболочкой на внешней поверхности, при этом уплотняющее вещество подают в указанную оболочку через выполненные в трубе продольные прорези.
Такое техническое решение позволяет без предварительного образования скважины внедрять в грунт на нужную глубину трубу с формированием в ее основании опоры, тем самым, образуя сваю, которая по нагрузочной способности может превосходить сваи, забитые традиционным способом, в десять и более раз. Обусловлено это уплотнением грунта на нужной глубине и созданием в уплотненной зоне опоры заданных размеров из прочного материала. Растягивающаяся герметичная оболочка исключает влияние на уплотняющее вещество различных растворов, в основном в виде минерализованных вод, содержащихся в зоне уплотнения грунта, что существенно упрощает придание опоре требуемых прочностных характеристик, определяемых и достигаемых в лабораторных условиях. За счет продольных прорезей в трубе образуются полосы, которые по мере подачи уплотняющего вещества в растягивающуюся герметичную оболочку приобретают форму контурных линий эллипсоида, и таким образом превращаются в элементы армирования опоры, повышая ее прочность. В результате без проведения вскрышных работ в нужной зоне уплотняют грунт внедрением в него растягивающейся герметичной оболочки, распираемой подачей в нее уплотняющего вещества, и формируют сваю с опорой в основании, что обуславливает повышение эффективности способа.
Целесообразно использовать уплотняющее вещество, которое после его подачи в растягивающуюся герметичную оболочку отвердевает. Это увеличивает прочность опоры, повышая ее несущую способность, что повышает эффективность способа.
Целесообразно уплотняющее вещество подавать в растягивающуюся герметичную оболочку вытеснением его из трубы ударными нагрузками. Это позволяет использованием известных принципов ударного воздействия на уплотняющее вещество подавать его в растягивающуюся герметичную оболочку в неограниченном объеме и на глубине, достаточной для возведения фундаментов практически под любые здания и сооружения. Воздействием на уплотняющее вещество ударными нагрузками обеспечивают его подачу в растягивающуюся герметичную оболочку без создания высоконапорных нагнетательных установок и без затраты большой энергии на прокачку уплотняющего вещества через каналы его подвода к уплотняемой зоне. В результате повышается эффективность способа.
Целесообразно при этом уплотняющее вещество подавать в растягивающуюся герметичную оболочку вытеснением его из трубы ударными нагрузками от падающей штанги, взаимодействующей с уплотняющим веществом через поршень. Это позволяет использовать один и тот же ударный механизм для забивания трубы и подачи в растягивающуюся герметичную оболочку уплотняющего вещества в режиме, учитывающем его особенности. В отличие от бойков в известных ударных машинах падающая штанга может обладать большой массой, исчисляемой сотнями и даже тысячами килограммов. Поэтому, обладая большой инерцией, падающая штанга взаимодействует с уплотняющим веществом относительно долго, растягивая тем самым длительность ударного импульса. При этом уплотняющее вещество проявляет эффект гидравлического усиления, когда сила на его контакте со штангой передается вмещающей среде многократно увеличенной, что улучшает результат воздействия на грунт. Кроме этого повышается коэффициент полезного действия оборудования и экологическая безопасность, так как уменьшается доля энергии, преобразующейся в упругую волну. Поршень исключает налипание уплотняющего вещества на штангу, облегчая ей возвратно - поступательное движение по трубе. В результате повышается эффективность способа.
Целесообразно после подачи в растягивающуюся герметичную оболочку уплотняющего вещества трубу и зазор между ней и грунтом заполнить твердеющим раствором. Это увеличивает прочность сваи и, следовательно, ее несущую способность, что повышает эффективность способа.
Целесообразно в качестве уплотняющего вещества использовать неньютоновскую жидкость. Это позволяет изменением режима вытеснения неньютоновской жидкости из трубы изменять ее текучесть в направлении, облегчающем проникновение в растягивающуюся герметичную оболочку. Кроме этого неньютоновской жидкости можно придавать различные свойства (гидроизоляционные, прочностные, обеспечивающие отвердение и расширение при отвердении и т.д.) и в сочетании с длиной прорезей в трубе и подаваемым объемом - различные формы (эллипсоидную, дисковую, цилиндрическую), что облегчает адаптировать возводимые сваи к свойствам грунтов и естественным условиям в области строительства. В результате повышается эффективность способа.
Задача решается также тем, что устройство для укрепления грунта, включающее рабочий орган и средство приложения к нему ударной нагрузки, состоящее из трубы, в которую с возможностью продольного перемещения по ней и контакта с рабочим органом вставлена штанга, согласно техническому решению на трубу надета и закреплена растягивающаяся герметичная оболочка, под которой в трубе выполнены продольные прорези, рабочий орган выполнен в виде стержня, образующего заглушку с конусным заострением на конце и вставленного в трубу с возможностью ограниченного продольного перемещения по ней, при этом стержень имеет приспособление от выпадения из трубы, а его конусное заострение выступает из трубы.
Такое техническое решение обеспечивает формирование на заданной глубине опоры для трубы распором растягивающейся герметичной оболочки, например, путем подачи в нее неньютоновской жидкости в требуемом объеме в ударном режиме. Продольные прорези в трубе образуют полосы, которые по мере подачи неньютоновской жидкости в растягивающуюся герметичную оболочку приобретают форму контурных линий эллипсоида. Поэтому опора оказывается армированной, из-за чего повышается ее прочность. Техническое решение также обеспечивает внедрение трубы в грунт на заданную глубину. При этом ударные нагрузки от штанги воздействуют только на рабочий орган, что уменьшает инерционность устройства и снижает динамические нагрузки на другие его части. Рабочий орган движется по заданной траектории, ибо находится в трубе и не может поворачиваться в плоскостях, проходящих через его ось. Таким образом, повышается эффективность устройства.
Целесообразно диаметр основания конусного заострения стержня выполнить не меньшим, чем внешний диаметр надетой на трубу растягивающейся герметичной оболочки. Это существенно снижает трение растягивающейся герметичной оболочки о грунт при погружении в него трубы, исключая ее повреждение, что повышает эффективность устройства за счет повышения надежности его работы.
Сущность технического решения поясняется примерами реализации способа упрочнения грунта, конкретного исполнения устройства для упрочнения грунта и чертежами фиг.1, 2.
На фиг.1 показана схема способа упрочнения грунта и устройства для его реализации до образования опоры для сваи, продольный разрез; на фиг.2 - то же после образования опоры для сваи.
Способ упрочнения грунта реализуют с помощью устройства того же назначения следующим образом.
В зоне упрочнения грунта на свободной поверхности устанавливают устройство для упрочнения грунта, включающее рабочий орган и средство приложения к нему ударной нагрузки, состоящее из трубы 1 с заглушкой на конце, в которую с возможностью продольного перемещения по ней и контакта с рабочим органом вставлена штанга 2. На трубу 1 надета и закреплена растягивающаяся герметичная оболочка 3 (далее - оболочка 3), под которой в трубе 1 выполнены продольные прорези 4 (далее - прорези 4). Рабочий орган выполнен в виде стержня 5, образующего заглушку, с конусным заострением 6 (далее - конус 6) на конце и вставленного в трубу 1 с возможностью ограниченного продольного перемещения по ней. При этом стержень 5 имеет приспособление от выпадения из трубы 1, для чего в нем выполнена сквозная продольная прорезь 7, через которую пропущен скрепленный с трубой 1 стержень 8. Конус 6 выступает из трубы 1. Диаметр основания конуса 6 выполнен не меньшим, чем внешний диаметр оболочки 3. Штангу 2 поднимают и отпускают, от чего она под действием собственного веса разгоняется и ударяется в торец стержня 5, который внедряется в грунт, образуя скважину 9. Штангу 2 поднимают и отпускают многократно, пока скважина 9 не окажется пройденной до нужной глубины. Диаметр скважины 9 оказывается примерно равным диаметру основания конуса 6. Поэтому труба 1 вместе с оболочкой 3, имеющие не больший диаметр, чем у основания конуса 6, опускаются в скважину 9 под действием собственного веса беспрепятственно. После прохождения скважины 9 до нужной глубины из трубы 1 извлекают штангу 2. Затем трубу 1 (фиг.2) до заданного уровня, обусловленного технологией проведения работ, заполняют уплотняющим веществом 10 (далее - вещество 10) в виде неньютоновской жидкости. После этого в трубу 1 последовательно вводят поршень 11 и штангу 2. Ударными нагрузками на поршень 11 многоразовым подъемом и отпусканием штанги 2 вещество 10 вытесняют из трубы 1 в оболочку 3, которая от этого раздувается. В результате происходит уплотнение грунта с образованием в нем эллипсоида 12 из вещества 10, изолированного от грунтовых вод оболочкой 3 и армированного полосами 13, образованными прорезями 4 в трубе 1. Указанную последовательность операций по заполнению трубы 1 веществом 10 с последующим его вытеснением в оболочку 3 можно осуществлять многократно. Размеры эллипсоида 12 доводят до проектных значений подачей в оболочку 3 вещества 10 в требуемом объеме. Затем из трубы 1 извлекают штангу 2 и заполняют трубу 1 и зазор между ней и скважиной 9 твердеющим раствором, например, бетоном (на фиг.2 не показано). Отметим, что после окончания работ по заполнению оболочки 3 находящееся в ней вещество 10 отвердевает.
В качестве вещества 10 предполагается использовать неньютоновскую жидкость, которая вне зависимости от величины внешнего силового воздействия способна передавать давление и относительно легко изменять свою форму. Такая неньютоновская жидкость в отличие от цементно-песчаных водных растворов, используемых, например, для создания набивных свай, не изменяет соотношение составляющих ее компонентов под нагрузкой и поэтому практически сохраняет необходимые особенности. Для придания неньютоновской жидкости требуемых свойств и ее удешевления в нее можно вводить различные наполнители, например, песок, щебень, гравий и т.д. Соотношение компонентов неньютоновской жидкости выбирают таким, чтобы она во время подачи ее в оболочку 3 была пластичной и не изменяла придаваемой ей формы без внешнего воздействия. В качестве связующего частицы наполнителя можно использовать отвердевающие смолы с добавлением в них пластификаторов. Такие неньютоновские жидкости после отвердения становятся эластичными и существенно повышают устойчивость к динамическим воздействиям, например, землетрясениям. Вместе с этим в ряде случаев экономически целесообразно неньютоновские жидкости приготавливать с использованием традиционных песчано-цементных растворов, в которые вводят различные добавки для придания им указанных свойств. В качества добавок предполагается использовать известь, глину и отработанные смазочные материалы.
Технические решения предполагается использовать при возведении в обводненных и болотистых местах различных сооружений, например, платформ, опор под линии электропередач, оснований для трубопроводов. Способ позволяет устанавливать сваи с опорами на значительной глубине под дном водоемов с поверхности воды, что уменьшает затраты времени и средств на строительство причалов, портов, мостов через малые реки и т.д.