Способ подготовки основания сооружения на слабых грунтах
METHOD FOR PREPARATION OF BASE OF STRUCTURE ON WEAK GROUNDS

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при возведении фундаментов зданий на слабых грунтах и насыпей транспортных сооружений.
Известен способ создания искусственного основания фундаментов зданий, транспортных и других сооружений на слабых грунтах путем замены грунта, обладающего низкими деформационно-прочностными характеристиками, армированной песчаной подушкой (К.Д. Джоунс. Сооружения из армированного грунта. М., Стройиздат, 1989. – с. 11, рис. 2.18 – аналог). В качестве армирующего материала обычно используют полотнища геосинтетика, способного воспринимать растягивающие напряжения, в частности, георешетку, представляющую собой плоский геосинтетический материал со сквозными ячейками, противостоящий растяжению и служащий для усиления конструкции  (ГОСТ Р 55028-2012. Материалы геосинтетические для дорожного строительства. Классификация, термины и определения. – М.: Стандартинформ, 2013. – с. 5). Георешётка может изготовляться путём экструзии разогретой массы и последующей перфорации полотна, а также склеиванием или термокреплением высокопрочных прядей.
Известно применение георешётки в грунтовой подушке, устраиваемой в основании фундаментов на слабых грунтах. При размещении георешетки в горизонтальной плоскости эффективность армирования существенно снижается из-за того, что армирующий материал включается в работу лишь при появлении в нем растягивающих напряжений, например, по мере развития прогиба, возникающего при осадке основания в местах действия максимальных напряжений от фундаментов (Ch. L. Helstrom, D. N. Hamphrey, J. M. Labbe. Performance and effectiveness of a thin pavement section using geogrids and drainage geocomposites in a cold region. NETCR60 NETC Project No. 00-8, August 2008, University of Maine, p.20, fig.2.1.; К.Д. Джоунс. Сооружения из армированного грунта. – М., Стройиздат, 1989. – c. 133-134).
Указанный недостаток может частично или полностью устраняться за счёт предварительного, то есть до возведения фундаментов, напряжения армирующих слоёв.
Известен способ подготовки основания здания на слабых грунтах, включающий отрывку котлована, отсыпку грунтовой подушки с послойным уплотнением, укладкой армирующих полотнищ и анкеровкой их концов с помощью жестких элементов, в котором предварительное напряжение армирующих слоев достигается благодаря тому, что уплотнение слоёв грунта подушки, подстилающих полотнища, на участках вне контура фундаментов производится до укладки полотнищ, а участков внутри контура фундаментов – одновременно с уплотнением слоёв, покрывающих полотнища (Патент РФ № 2674488, МПК Е02D 27/01, 2018 - аналог).
Недостатком конструкции является большая трудоёмкость реализации способа предварительного напряжения армирующего материала, связанная с необходимостью поочередного уплотнения слоёв грунтовой подушки по участкам. Кроме того, при отсыпке грунта поверх армирующего полотнища на нем может формироваться волна, снижающая эффект предварительного напряжения (Ch. L. Helstrom, D. N. Hamphrey, J. M. Labbe. Performance and effectiveness of a thin pavement section using geogrids and drainage geocomposites in a cold region. NETCR60 NETC Project No. 00-8, August 2007, University of Maine, p. 73,fig. 3.11).
Известен способ подготовки основания здания на слабых грунтах, включающий отрывку котлована, отсыпку грунтовой подушки из несвязного грунта в пределах контура фундаментов, а на участках вне контуров фундаментов - из несвязного грунта с включениями набухающего материала, послойное уплотнение грунта подушки, укладку полотнищ армирующего материала и анкеровку их концов (Патент РФ № 2684558, МПК ЕО2D 27/26, 2018 – аналог). Набухание включений при увлажнении приводит к неравномерному подъему подушки, прогибу и предварительному напряжению полотнищ армирующего материала.
Недостатком способа является увеличение продолжительности производства работ из-за технологического перерыва, необходимого для увлажнения и набухания грунта подушки.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ подготовки основания цилиндрического резервуара на слабых неравномерно сжимаемых грунтах, включающий отрывку котлована, отсыпку и послойное уплотнение песчаной подушки, раскладку на каждом уплотняемом слое полотен армирующего материала и кольцевых жестких элементов, натяжение армирующих полотен и крепление их к кольцевым элементам (Патент РФ № 2308574, МПК Е02D 27/00, 2006 – прототип).
Недостатком прототипа является значительная трудоёмкость реализации способа, обусловленная необходимостью применения специальных приспособлений и механизмов для натяжения и крепления полотен армирующего материала. Кроме того, технически сложным является одновременное равномерное натяжение полотен во взаимно перпендикулярных направлениях, без которого из-за деформации кольцевых элементов эффект предварительного напряжения не будет достигаться.
Задачей изобретения является повышение эффективности работы армированной грунтовой подушки за счёт предварительного напряжения армирующего материала, в качестве которого используется георешетка.
В способе подготовки основания сооружения на слабых грунтах, включающем отрывку котлована, отсыпку грунтовой подушки с послойным уплотнением, укладку и крепление концов полотнищ георешетки к анкерующим элементам, перед укладкой георешетки в борозду, устроенную по оси подушки, укладывают линейную траверсу, а отсыпку грунта над георешеткой начинают с устройства пригрузочных призм над концевыми участками полотнищ, после чего траверсу и георешетку приподнимают над поверхностью подушки, нагревают георешетку до температуры, обеспечивающей появление в ее материале напряжений термоусадки, и измеряют усилие, необходимое для удержания траверсы на заданной высоте, после достижения заданного значения усилия траверсу извлекают и производят отсыпку и уплотнение грунта над георешеткой на оставшейся площади котлована.
Предварительное напряжение полотнища армирующего материала на строительной площадке обеспечивается за счёт использования способности полимерного материала георёшетки к термоусадке. Как известно, свойства полимеров зависят от молекулярной массы, химического состава, строения и формы макромолекул, их ориентации и имевшей место релаксации напряжений при нагревании. Макромолекулы линейных полимеров в обычных условиях имеют конформацию клубка различной плотности. Нагревание в деформированном состоянии до температуры, превышающей температуру стеклования, приводит к пластификации полимеров. При этом изменяется конформация макромолекул, происходит «разворачивание» клубка - нитеобразные макромолекулы ориентируются в одном (у волокон) или двух (у пленок) направлениях, сближение и уплотнение макромолекулярных цепей. Если охлаждение производится под приложенной нагрузкой, то нитевидная конформация и пространственная ориентация макромолекул сохраняются. При повторном нагревании выше температуры стеклования макромолекулы такого полимера стремятся принять более выгодную по сравнению с вытянутой линейной конформацию (Р.С. Соколов Химическая технология: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений: В 2 т. – М.: Гуманит. изд. центр Владос, 2000. – Т. 2.: Металлургические процессы. Переработка химического топлива. Производство органических веществ и полимерных материалов. – 448 с.). Если последующее охлаждение проходит без приложения внешней нагрузки, то наблюдается термическая усадка, в результате которой размер волокна или пленки уменьшается на 30…80 %. Охлаждение материала с зафиксированными каким-либо образом концами приводит к появлению в нем напряжений усадки, в частности, у полипропилена эти напряжения составляют 2...4 МПа (В.А. Шкурин, Ф.А. Пладис, Г.Э. Сурмаев. Технические средства и оборудование для пакетирования продукции: Справочник. – М.: Машиностроение, 1987. –153 с.).
Георешетку, обладающую способностью к термоусадке, изготовляют путем экструзии разогретой массы и перфорации полотна или склеиванием или термокреплением высокопрочных прядей с последующим вытягиванием полотна при температуре, обеспечивающей изменение конформации макромолекул.
Последовательность подготовки основания сооружения на слабых грунтах иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан поперечный разрез подушки после крепления георешетки к анкерующим элементам и отсыпки пригрузочных призм грунта над ее концевыми участками, на фиг. 2 – процесс нагревания георешетки, сопровождающийся измерением усилия, необходимого для удержания заведенной под нее траверсы на заданной высоте, на фиг. 3 – подушка после отсыпки и уплотнения слоя грунта над георешеткой.
Способ осуществляют следующим образом.
После отрывки в массиве слабого грунта 1 котлована 2 отсыпают и уплотняют заданное число слоев несвязного грунта 3, как правило, песка или гравелистого грунта. В борозду 4, устроенную по оси подушки укладывают линейную траверсу 5 с подвеской по центру или по краям. На поверхность грунта путем раскатки рулонов укладывают георешетку 6. Концевые участки георешетки крепят к анкерующим элементам 7, например, оборачивая георешетку вокруг них. На расположенные у бортов котлована концевые участки георешетки и анкерующие элементы отсыпают и послойно уплотняют пригрузочные призмы грунта 8. Зацепив крюк подъемного механизма за подвеску, приподнимают траверсу 5 и георешетку 6 над поверхностью подушки и приступают к нагреву георешетки с помощью нагревательных устройств 9, например, горелок, строительных фенов, термовоздуходувок, инфракрасных излучателей, плоских нагревательных элементов и т.п. Подъем георешетки над поверхностью грунта обеспечивает ее равномерный прогрев, исключает потери тепла на нагревание и высушивание подстилающего грунта, а также обеспечивает возможность контроля преднапряжения, возникающего за счет термоусадки материала георешетки.
F
F
Контроль преднапряжения осуществляется по величине усилия , необходимого для удержания траверсы на заданной высоте. Указанное усилие измеряется одним из известных устройств, например, датчиком, динамометром и др. Зная усилие , величину подъема георешетки и ее длину, вычисляют усилие натяжения полотнища, возникающее за счет термоусадки материала при нагревании. Постепенно перемещая нагревательные устройства 9 вдоль полотнища с двух его сторон, добиваются заданного значения усилия натяжения георешетки, после чего траверсу освобождают и извлекают. Выполнив преднапряжение всех полотен георешетки на данной отметке, производят послойную отсыпку и уплотнение грунта в тело подушки до отметки, на которой следует разместить следующий слой армирующего материала.
Повторив необходимое число раз операции по отсыпке и уплотнению грунта, укладке георешетки, отсыпке пригрузочных призм, предварительному напряжению георешетки получают подушку заданной высоты и приступают к устройству фундаментов или насыпи транспортного сооружения.
Преднапряжение георешётки позволит увеличить эффективность армирования грунтовой подушки, а именно, повысить ее устойчивость и снизить осадку  возводимого сооружения.
Кроме устройства оснований, способ может применяться при возведении дамб в гидротехническом строительстве и земляного полотна железных и автомобильных дорог.