СПОСОБ СОЗДАНИЯ В ГРУНТОВОМ МАССИВЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ СТРУКТУР ИЗ ТВЕРДЕЮЩЕГО МАТЕРИАЛА
METHOD TO CREATE SPATIAL STRUCTURES FROM HARDENING MATERIAL IN SOIL MASSIF

Изобретение относится к области строительства, в частности к способам подготовки оснований фундаментов зданий и сооружений, возводимых на просадочных, структурно-неустойчивых и слабых водонасыщенных грунтах, и может быть использовано как при новом строительстве, так и при стабилизации неравномерных осадок аварийных сооружений, а также при укреплении откосов, насыпей и устройстве завес и гидрохимических барьеров. Изобретение направлено на снижение стоимости, энергоемкости и повышение качества работ.
Известен способ закрепления лессового просадочного грунта путем одновременного нагнетания закрепляющего раствора в две смежные скважины с интенсивностью повышения давления 0,1-0,5 МПа в минуту, позволяющий оптимальным способом получить вертикальную плоскость разрыва грунта, через которую производится последующая пропитка грунта в зоне закрепления. После нагнетания заданного объема крепящего раствора ведут нагнетание тампонажного, например, цементного раствора, заполняя им стволы скважин, плоскость разрыва и другие возможные трещины в грунте (авт. св. № 1227767. «Способ закрепления лессового просадочного грунта», 1986).
Недостатками известного способа являются использование двух растворов (химического закрепляющего и тампонажного), необходимость их раздельного нагнетания в две стадии, а также низкая его эффективность при закреплении и уплотнении грунтов с разной степенью влажности. Кроме того, дефицитность и высокая стоимость химических реагентов обуславливают высокую сметную стоимость строительных работ по подготовке основания.
Известен способ улучшения массива лессового просадочного грунта в основании зданий и сооружений, включающий образование скважин с установкой инъекторов, нагнетание в грунт улучшающего раствора с замачиванием и уплотнением массива. При этом после введения улучшающего раствора в грунт производят нагнетание в него твердеющего материала, например цементопесчаного раствора, причем нагнетание улучшающего раствора ведут с гидроразрывом грунта, а в качестве улучшающего грунт раствора используют пульпу из улучшаемого грунта с содержанием его 15-30% (авт. св. № 1294910, Способ улучшения массива лессового просадочного грунта в основании зданий и сооружений, 1987).
Недостатками известного способа являются его многостадийность и трудоемкость, так как замачивание и уплотнение массива производится отдельно приготовляемым улучшающим раствором (грунтовая пульпа), а армирование - твердеющим материалом в виде цементопесчаного раствора, который нагнетается во вторую стадию. Ввиду этого исключается возможность замачивания, уплотнения и армирования грунтового основания в одну стадию с использованием единого состава, а также значительно повышается стоимость работ. Кроме того, ввиду неуправляемого гидроразрыва получаемая каркасно-ячеистая структура из уплотненных и упрочненных элементов не имеет четко выраженной формы, что не позволяет с достаточной степенью надежности обеспечивать однородность армирования и гарантировать повышенную несущую способность основания (Багдасаров Ю.А., Четыркин Н.С., Грачев Ю.А. Об устройстве оснований на грунтах II типа по просадочности методом "геотехногенный массив". - Основания, фундаменты и механика грунтов, №6, 1988).
2
2
Известен способ закрепления грунта, включающий образование вертикальных скважин и нагнетание в них закрепляющего раствора с гидроразрывом грунта. После нагнетания закрепляющего раствора производят выдержку до набора закрепленным массивом грунта прочности не менее 3 кг/см в случае нагнетания раствора, активно реагирующего с грунтом, и не менее 20 кг/см в случае нагнетания самоотверждающегося раствора, а затем образуют наклонные скважины, оси которых пересекаются или скрещиваются под фундаментом или его элементами, и производят нагнетание в них закрепляющего раствора, при этом вертикальные и наклонные скважины образуют по всему периметру или вдоль длинных сторон фундамента или его элементов. Нагнетание закрепляющего раствора в наклонные скважины ведут с гидроразрывом грунта (см. патент на изобретение №2103441 «Способ закрепления грунта», 1998 г.).
Недостатком известного способа является использование нескольких отдельно приготовляемых растворов, один из которых активно реагирует с грунтом, а другой самоотверждающийся в виде цементопесчаного раствора, который нагнетается во вторую стадию. Ввиду этого, исключается возможность замачивания, уплотнения и армирования грунтового основания в одную стадию с использованием единого состава, а также значительно повышается стоимость работ. Кроме того, гидроразрыв пласта ведется по неуправляемой технологии, то есть армоэлементы образуются случайным образом.
Наиболее близким из известных решений по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому способу (прототип) является способ подготовки основания, который включает образование скважин с установкой инъекторов, замачивание, уплотнение и армирование массива грунта твердеющим раствором через направленный гидроразрыв. Замачивание, уплотнение и армирование грунтового массива производят в одну стадию при подаче твердеющего раствора через направленный разрыв. Армирование выполняют в виде системы вертикальных регулируемых плоских элементов повышенной жесткости. В качестве замачивающего, уплотняющего и армирующего раствора могут использовать вспененный твердеющий цементогрунтовый раствор (см. патент на изобретение №2122068 «Способ подготовки основания». Бюллетень изобретений №32, 1998 г.).
Недостатком известного способа является необходимость устройства большого количества скважин, располагаемых с значительной частотой. При установке инъекционных трубок в плитных фундаментах ослабляется прочность и повышается возможность нарушения плиты при ее нагружении. То же происходит при необходимости бурения перфоратором скважин в фундаментах существующих зданий и сооружений. Кроме того, схемы армирования, приведенные в патенте, не являются оптимальными, так как не образуют замкнутые более жесткие и надежные пространственные структуры. Все это приводит к большой стоимости и энергоемкости предложенных в прототипе решений.
Задачей изобретения является создание технологии формирования пространственных структур из твердеющего материала, повышающих надежность армирования просадочных, структурно-неустойчивых и слабых водонасыщенных грунтов в основании зданий и сооружений, а техническим результатом - снижение стоимости, энергоемкости и улучшение качества работ.
Сущность изобретения заключается в том, что в известном способе, включающем образование скважины, выполнение на ее стенке продольного концентратора напряжений, запирание верхней части скважины с отсечением зоны нагнетания, образование в массиве вертикальной плоскости разрыва и заполнение ее твердеющим материалом, производят выдержку твердеющего материала от 7-ми до 24 часов, зачищают скважину в этом возрасте от твердеющего материала в пределах зоны нагнетания, выполняют разворот резца под заданными углами в диапазоне от 0 до 360° и формируют структурные элементы требуемой формы и размеров, а затем компонуют их в основании фундаментов зданий и сооружений, объединяя в плане и по высоте в пространственные структуры для совместной работы.
Сущность изобретения поясняется чертежами, изображенными на Фиг.1-8. На Фиг.1 а)-ж) показан порядок выполнения операций при создании структурных элементов разной формы и размеров с размещением армоэлементов под углом 90-270° в плане. На Фиг.2 а)-д) то же с размещением армоэлементов под углом 120° в плане. На Фиг.3-8 приведены пространственные структуры прямоугольной, шестигранной и треугольной формы, скомпонованные в плане и по высоте для совместной работы из структурных элементов, изображенных на Фиг.1 д), ж) и Фиг.2 в), д).
Способ осуществляется в следующей последовательности. Сначала бурится скважина 1, выполняется на ее стенке продольный концентратор напряжений 2, запирается верхняя часть скважины с отсечением зоны нагнетания и образуется в массиве вертикальная плоскость разрыва, которая заполняется под давлением твердеющим материалом (например, вспененным цементогрунтовым раствором). При этом образуется армоэлемент 3 (см. Фиг.1, 2). Затем производят выдержку твердеющего материала от 7-ми до 24 часов, зачищают скважину в этом возрасте от твердеющего материала в пределах зоны нагнетания (см. Фиг.16), г), е). и Фиг.2 б), г), выполняют разворот резца под заданными углами в диапазоне от 0 до 360° и, создавая армоэлементы 4, 5, 6, формируют структурные элементы требуемой формы и размеров. Выдержку твердеющего материала в течение от 7-ми до 24 часов производят для того, чтобы раствор схватился, но имел в этом возрасте малую прочность, позволяющую с малыми затратами производить зачистку скважины при выбуривании этого материала шнеком и нарезку концентратора после разворота резца.
На Фиг.1, 2 в качестве примера показаны структурные элементы, созданные из армоэлементов 3-6 под углами 90 и 120°. Разрывы и армоэлементы могут быть размещены под любыми углами в диапазоне от 0 до 360° в зависимости от поставленных задач, формы фундамента и требуемой степени армирования.
Из созданных структурных элементов компонуют в основании фундаментов зданий и сооружений пространственные структуры путем объединения их в плане и по высоте для совместной работы. На Фиг.3-8 показаны (в виде примера) пространственные структуры прямоугольной, шестигранной и треугольной формы, которые могут быть созданы для совместной работы из структурных элементов в основании зданий и сооружений. Изменяя длину, толщину, высоту и прочностные показатели твердеющего материала армоэлементов, способ позволяет в широком диапазоне менять степень армирования грунтового массива и его геотехнические характеристики.
В качестве примера конкретного выполнения способа рассмотрим порядок операций при укреплении просадочных грунтов в основании плитного фундамента существующего здания 2-этажного офицерского общежития в в/г «Северный» г.Грозный ЧР. Укрепление основания выполнялось с целью стабилизации неравномерных осадок здания, находящегося в аварийном состоянии.
2
Площадка застройки здания относилась к грунтовым условиям II типа по просадочности. Армирование выполнялось на 12 м ниже подошвы плитного фундамента по всей площади застройки здания размером 20,0×60,0 м=1200 м. Объем армирующих элементов был принят 5% от общего объема реконструируемого массива грунта. Армирование осуществлялось в виде пространственной структуры прямоугольной формы (см. Фиг 3), состоящей из структурных элементов, включающих армоэлементы длиной 2,5 м и толщиной 0,05 м, расположенных под углом 90° (см. Фиг.1 д), ж).
Работы по созданию пространственной структуры прямоугольной формы выполнялись в следующем порядке. Сначала бурилась скважина диаментром 70 мм станком УКБ 12/25 до проектной отметки, выполнялся на ее стенке продольный концентратор напряжений, запиралась верхняя часть скважины с отсечением зоны нагнетания, образовывалась в массиве вертикальная плоскость разрыва и производилось заполнение ее твердеющим материалом (цементогрунтовым раствором с 20% содержанием цемента). Затем производилась выдержка твердеющего материала в течение 12 часов, зачистка скважины в пределах зоны нагнетания путем разбуривания твердеющего материала в возрасте 12 часов, выполнялись разворот резца на 180° с нарезкой концентратора напряжений, установка пакера, создание вертикальной плоскости разрыва и заполнение ее твердеющим материалом. Аналогичные операции выполнялись при развороте резца на 90 и 270°.
В результате в грунтовом массиве был создан структурный элемент из четырех армоэлементов, расположенных под 90°. Выполняя такие структурные элементы согласно схеме, изображенной на Фиг 1, и объединяя их в плане и по высоте для совместной работы, была получена пространственная структура прямоугольной формы (см. Фиг.3) в основании плитного фундамента здания.
Общее количество структурных элементов при этом составило 120 шт., то есть для их создания потребовалось пробурить перфоратором в плите толщиной 85 см 120 скв. или 102 пм. Для сравнения был определен объем работ по известному способу (прототипу) при той же степени армирования. При шаге 1,0 м и длине армоэлемента 2,5 м потребовалось 1200/2,5=480 скв. в плите или 480×0,85=408 п.м. бурения.
3
Положительный эффект от использования предлагаемого способа подтверждается технико-экономическим расчетом. Стоимость армирования 1 м грунта по предлагаемому способу и известному (прототип) приведена в таблице.
№ пп
Наименование показателей
Ед. изм.
Величина показателя
Прототип
Предлагаемый способ
1.
Сметная стоимость армирования 1 м<sup>3</sup> грунта в ценах 2000 г.
руб.
163,5
117,12
В том числе:
- бурение скважины перфоратором в плитном фундаменте
руб.
61,88
15,50
- бурение скважины в грунте
руб.
7,82
7,82
- погружение и извлечение устройства с нарезкой концентратора
руб.
3,90
3,90
- установка и извлечение устройства для нагнетания раствора с заполнением алебастром зазора между стенкой скважины и устройством
руб.
3,00
3,00
- приготовление и нагнетание вспененного цементогрунтового раствора
руб.
86,90
86,90
3
Как видно из таблицы, сметная стоимость армирования 1 м грунта по известному способу (прототип) в 1,4 раза выше, чем по предлагаемому способу.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет за счет создания пространственных структур в грунтовом основании фундаментов зданий и сооружений более рационально распределить армоэлементы, снизить сметную стоимость и энергоемкость работ.