СПОСОБ УСИЛЕНИЯ МАЛОПРОЧНЫХ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ГРУНТОВ ОСНОВАНИЯ ЛЕНТОЧНОГО ФУНДАМЕНТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR STRENGTHENING LOW-STRENGTH WATER-SATURATED SOILS OF BASE OF TAPE FOUNDATION AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области строительства, а именно к способу усиления слабых водонасыщенных грунтов основания для возведения ленточных фундаментов.
Известен способ возведения прерывистых ленточных фундаментов мелкого заложения на малопрочных грунтах и оборудование для его осуществления [патент SU 1032114, опубл. 30.07.1983]. Способ включает разработку грунта, вытрамбовывание углублений в зоне разработанного грунта и размещение в углублениях фундаментных блоков. Вытрамбовывание углублений производят перед разработкой грунта, а разработку грунта выполняют после размещения в углублениях фундаментных блоков до отметки их верхнего обреза. Уровнем, от которого начинают вытрамбовывать углубления, является дневная поверхность грунта. Глубина проходки углубления должна быть не менее размера фундамента d, где d - сторона квадратного или диаметр круглого фундамента или меньшая сторона прямоугольного в плане фундамента, так как только при такой глубине формируется ядро наибольшего размера и достигается максимальная несущая способность грунта основания при заданном размере трамбовки штампа. При меньшем размере фундамента грунтовое ядро не успевает сформироваться. Комплект навесного оборудования к крану-экскаватору состоит из направляющей штанги, которую крепят к стреле посредством шарнира. На штанге устанавливают подвижную каретку, к которой на болтах монтируют трамбовку-штамп, представляющую собой усеченный конус. Способ осуществляют следующим способом. На очищенной от растительного слоя поверхности грунта выполняют разметку. Тяговым тросом трамбовку-штамп поднимают краном-экскаватором на требуемую высоту над поверхностью грунта, а затем сбрасывают на поверхность грунта. В результате ударов в грунте образуются углубления с грунтовым ядром, которое вытрамбовывают до отметки заложения фундаментов. В образовавшиеся углубления с помощью автокрана устанавливают фундаментные блоки. При вытрамбовывании углублений грунт между ними разрыхляется, его выпирает на поверхность и для его уборки используют грейфер. Фундаментные блоки снабжены стаканом для установки подколонников, которые временно перекрывают заглушками для предотвращения попадания в них грунта. После разработки грунта удаляют заглушки и производят установку подколонников в стаканы.
Недостатками известного способа возведения прерывистых ленточных фундаментов являются: опасность повреждения и обрушения конструкций рядом расположенных зданий и сооружений от воздействия ударно-динамических нагрузок сбрасываемой на поверхность слабого грунта трамбовки-штампа; высокая трудоемкость из-за большого объема сопутствующих работ, требующих дополнительного применения тяжелой строительной техники; маленькая пространственная жесткость железобетонного каркаса из-за неглубокой заделки подколонников в стаканы фундаментных блоков; необходимость выемки разрыхленного грунта между фундаментными блоками, что усложняет работы по возведению фундаментов; ограниченные возможности по применению тяжелой строительной техники, используемой на участке с малопочными грунтами, на которых требуется специальная предварительная подготовка основания перед началом земляных работ.
Известен способ формирования профилированных траншей на слабых и осадочных грунтах при возведении ленточных фундаментов путем продавливания и раскатывания грунта рабочим органом в виде диска, установленного на оси [патент RU 2255182, опубл. 27.06.2005]. Продавливание и раскатывание грунта ведут с пошаговым постепенным увеличением поперечного сечения первоначально образованной траншеи рабочим органом, состоящим из нескольких дисков, форма и количество которых зависят от механических свойств грунта и заданного профиля формируемых траншей. Пошаговое увеличение ширины траншеи выполняют путем установки на ось рабочего органа с двух сторон первоначально установленного диска наибольшего диаметра дополнительного количества дисков с уменьшением их диаметров после каждого прохода. Для закрепления стенок формируемых траншей во время или после продавливания и раскатывания грунта применяют армирующий материал и/или пластифицирующую массу, при этом рабочий орган имеет покрытие с низкой адгезией. Недостатками известного способа формирования профилированных траншей являются: ограниченная область применения рабочего органа, который после многократного прохода по слабому грунту имеет возможность продавливать и раскатывать всего лишь одну траншею; отсутствие возможности использовать рабочий орган для формирования профилированных траншей на слабых водонасыщенных грунтах, где требуется обязательное продавливание в траншею щебня и усиление ее стенок; большой объем подготовительных и сопутствующих работ за счет установки и снятия дополнительных дисков, устанавливаемых в процессе продавливания и раскатывания грунта для увеличения поперечного сечения траншей, сопровождающийся полным разбором рабочего органа; необходимость после каждого прохода рабочего органа для закрепления стенок траншеи использовать армирующий материал и/или пластифицирующую массу, что повышает трудоемкость земляных работ и увеличивает материальные затраты.
Также, известно использование на строительных площадках самоходных и буксируемых транспортных средств в качестве катков для уплотнения материалов различного технологического назначения, включая грунт, гравий и щебень [патент GB 2496432, опубл. 15.05.2013]. Для этого на транспортных средствах заменяют обычные пневматические колеса на сплошные жесткие или металлические вальцевые барабаны с профилированной внешней поверхностью, которые устанавливают на колесные оси. Для предотвращения попадания мусора или грязи в открытые полости вальцевых барабанов, на передней части транспортных средств устанавливают защитные металлические отвалы. Каждый вальцовый барабан изготавливают неразъемным в виде жесткой сварной металлической конструкции и формируют его таким образом, чтобы барабан имел по своей длине профилированную поверхность, образованную двумя крайними цилиндрическими секциями большего диаметра и одной средней секцией меньшего диаметра (см. поз. 50 второго варианта выполнения вальцов на фиг. 4А и 4В). В рассматриваемом варианте крайние цилиндрические секции изготавливают одинакового диаметра и герметично соединяют сваркой со средней цилиндрической секцией двумя усечено-коническими секциями. Угол наклона поверхности усечено-конических секций вальцевого барабана составляет приблизительно 60-70 градусов относительно оси вращения колеса транспортного средства. В центральном осевом отверстии вальцевого барабана вываривают металлическую внутреннюю втулку, предназначенную для надевания и сцепления вальца с осью транспортного средства. На гладкой внешней поверхности крайних цилиндрических секций дополнительно устанавливают взаимозаменяемые кольцевые гильзы, на которых крепят радиально расположенные наконечники крестообразной формы (см. поз. 40b на фиг. 7А, фиг. 7В и фиг. 7С), предназначенные для перемешивания материала в процессе уплотнения. Кольцевые гильзы выполняют жесткими из двух или более секций, которые разъемно соединяют между собой при помощи болтов. Площадь контакта между наружной поверхностью барабана и уплотняемым грунтом изменяют в зависимости от глубины проникновения вальца в грунт. На наклонной поверхности усечено-конических секций вальцевого барабана предусмотрены отверстия с пробками для заполнения или выпуска балластной жидкости из внутреннего объема. Для увеличения давления вальцевого барабана на грунт или щебень внутренний объем барабана заполняют балластной жидкостью, количество которой выбирают в зависимости от конкретного применения катка. Предпочтение отдают дорогостоящей жидкости, не замерзающей при низких температурах окружающей среды. В тех местах, где условия требуют уменьшения давления вальцевого барабана на грунт или щебень, балластную жидкость выливают из внутреннего объема барабана. Недостатками известных транспортных средств, используемых в качестве катков, являются: ограниченная область применения, так как каток пригоден для уплотнения на строительных площадках преимущественно насыпного грунта и не подходит для формирования профилированных траншей в слабых водонасыщенных грунтах; сложная конструкция металлического вальцевого барабана из-за большого количества деталей для его формирования, что затрудняет подготовку вальца катка к использованию на строительной площадке; существует необходимость замены наконечников вальца в зависимости от состояния грунта на строительной площадке, что затягивает производство работ и повышает затраты; к тому же, в пазы и отверстия вальцевого барабана возможно попадание большого количества мусора и грязи, поэтому для их защиты необходима установка дополнительных защитных отвалов.
В качестве прототипа принят облегченный технологический способ подготовки слабых грунтов основания под фундамент здания [патент CN 1206763, опубл. 03.03.1999]. Способ включает в себя следующие этапы упрочнения слабых грунтов: выполнение планировки поверхности площадки до исходной проектной отметки под подошву ленточного фундамента; увеличение несущей способности слабого грунта основания за счет дополнительной отсыпки поверх исходной проектной отметки спланированной поверхности площадки дробленой каменной породой в виде щебня на высоту более одного метра при одновременном послойном уплотнении отсыпанного щебня через каждые 30 см и его вдавливание в слабый грунт основания гладковальцовым роликовым катком массой 16 тонн, при этом ширину основания ленточного фундамента принимают в 1,5-2 раза больше ширины фундаментного основания, предусмотренного стандартным типовым проектом. Возведение ленточного фундамента здания на отметке упрочненного грунтового основания выполняют без рытья траншей, после чего отсыпают щебнем выше выступов подошвы с каждой стороны ленточного фундамента и производят его уплотнение, при этом ширину отсыпки щебнем принимают на 4 метра больше ширины ленточного фундамента. Одним из вариантов осуществления изобретения является подготовка основания фундамента под девятиэтажное здание общежития, которое планируют построить на бывшем рисовом поле. В процессе упрочнения слабых грунтов основания проверяют соответствие их модуля упругости и несущей способности нормам стандартного типового проекта подготовки грунтов основания под ленточные фундаменты многоэтажных зданий. Недостатками известного способа подготовки слабых грунтов основания являются: отсутствие обоснованных геологических исследований и конструкторских расчетов, обеспечивающих надежность усиления фундаментного основания под девятиэтажное здание, возводимое на бывшем рисовом поле; на практике доказано, что продавливание дробленого камня гладковальцовым катком в слабый грунт возможно лишь на глубину от 60 до 80 см и только на данной глубине может располагаться уплотненная зона фундаментного основания, ниже уровня которой будет оставаться слабый грунт; нагрузка же на уплотненную зону фундаментного основания от подошвы ленточного фундамента составляет 50-60%, поэтому данной толщины уплотненной зоны для восприятия фундаментной нагрузки будет недостаточно, что вызовет значительные осадки фундаментного основания при эксплуатации уже построенного здания; также, имеется высокая трудоемкость выполнения земляных работ из-за большого количества операций и необоснованно большого расхода инертных строительных материалов, отсыпаемых выше подошвы ленточного фундамента; при этом отток влаги при дренировании из слабого грунта основания будет происходить медленно, что будет сопровождаться длительными просадками территории застройки.
Решение данной технической проблемы заключается в использовании современных высокотехнологичных способов повышения несущей способности земельных участков, имеющих заведомо низкие физико-механические показатели грунтов, подготовки их для нового строительства, что позволит застройщикам более рационально подходить к использованию территориальных, трудовых и материальных ресурсов.
Техническим результатом, достигаемым при решении данной технической проблемы, является использование в качестве несущего основания под ленточные фундаменты слабого грунта, упрочненного геотехногенным массивом (ГТМ), который образуется при вдавливании щебня в малопрочный водонасыщенный грунт катком, валец которого оборудован двумя съемными кольцевыми лентами-ребордами, состоящими из ряда шарнирно соединенных между собой кулачков, при помощи которых каток продавливает в слабом грунте две параллельные траншеи, которые заполняют щебнем и уплотняют лентами-ребордами, установленными на вальце катка. Оси параллельных траншей совпадают с краями подошвы возводимого ленточного фундамента. При продавливании щебня в грунт поверхность вальца катка препятствует перемещению вытесненного грунта вверх, поэтому слабый грунт вместе с щебнем перемещается под давлением поверхности вальца горизонтально, в результате чего образуется арочная форма геотехногенного массива, способствующая возникновению арочного эффекта и дополнительному распорному усилению грунта. Кроме того, при продавливании щебня в грунт происходит не только усиление грунта щебнем, но и эффективное дренирование влаги из нижних слоев грунта по вертикальным траншеям-дренам и дополнительное уплотнение нижних слоев грунта.
гтм
гтм
гтм
кул
Для достижения указанного технического результата предлагается способ усиления малопрочных водонасыщенных грунтов основания ленточного фундамента, включающий предварительную планировку поверхности фундаментной площадки до исходной проектной отметки слабого грунта, разметку осей ленточного фундамента, дополнительную отсыпку, по меньшей мере, одного слоя щебня при одновременном послойном уплотнении и вдавливании его в слабый грунт основания катком. Новым является то, что в процессе уплотнения и вдавливания щебня в грунт продавливают две параллельные траншеи, которые симметрично располагают относительно оси запроектированного ленточного фундамента под его подошвой таким образом, чтобы оси траншей находились по краям подошвы фундамента, затем траншеи в процессе продавливания последовательно заполняют щебнем, который вдавливают катком в грунт до проектной глубины Н упрочненной зоны и образования геотехногенного массива (ГТМ) арочной формы, после чего выполняют отсыпку фундаментного основания щебнем, его выравнивание и уплотнение, что позволяет одновременно осуществить уплотнение, упрочнение и дренирование верхних слоев толщи грунта и получить в нижележащих слоях более плотный грунт за счет выдавливания из них влаги через заполненные щебнем траншеи-дрены. Предпочтительно, если глубину Н упрочненной зоны ГТМ и расстояние А между осями траншей в упрочненной зоне ГТМ будут принимать не менее ширины В подошвы запроектированного фундамента, что способствует улучшению строительных свойств фундаментного основания. Глубину Н упрочненной зоны ГТМ можно устанавливать по количеству проходов катка, что позволит определить глубину погружения кулачков ленточных реборд в грунт на строительной площадке. Желательно, если глубину Н щебеночного заполнения траншей будут проверять георадаром, что позволит обеспечить надежный контроль качества фундаментного основания. Отсыпку фундаментного основания щебнем можно выполнять шириной, в два раза превышающей ширину В подошвы фундамента, так как усиленное таким образом фундаментное основание сможет воспринимать повышенное давление на грунт и поможет избежать осадок фундаментного основания при эксплуатации уже построенного здания. Для осуществления вышеуказанного способа усиления малопрочных водонасыщенных грунтов основания ленточного фундамента предлагается устройство, которое содержит грунтовый гладковальцовый каток. Новым является то, что на вальце катка дополнительно установлены стальные трапециевидные кулачки, шарнирно соединенные в кольцеобразные ленточные реборды, плотно охватывающие по окружности валец катка, которые позволяют расширить технологические функции катка. Ленточные реборды могут быть выполнены съемными, что облегчит их перестановку на вальце катка под подушки фундаментов другого размера. Целесообразно, если для фиксации ленточных реборд на внешней поверхности вальца будут предусмотрены отверстия, а на нижней поверхности кулачков предусмотрены штыри, что позволит надежно закреплять ленточные реборды с кулачками на вальце перед началом уплотнения фундаментного основания. Оси установленных на вальце катка ленточных реборд могут быть расположены по краям подошвы запроектированного ленточного фундамента, что позволит основанию воспринимать повышенные нагрузки от фундамента. Оптимально, если высота h кулачков будет составлять 150-250 мм, ширина b верхнего основания кулачка будет составлять 150-250 мм, а длина L верхнего основания кулачка будет составлять 250-350 мм, что обеспечит беспрепятственное прохождение вращающегося вальца в раме катка при продавливании траншей на проектную глубину.
Изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 показан вид сверху вальца с установленными на нем ленточными ребордами, на фиг. 2 показан поперечный разрез вальца, на фиг. 3 показан валец при уплотнении и вдавливании щебня в траншеи, на фиг. 4 показано готовое основание под ленточный фундамент с установленной на нем подошвой фундамента.
Предлагаемое техническое решение поясняется на примере конкретного осуществления изобретения.
2
гтм
гтм
i
кул
гтм
кул
гтм
С поверхности площадки, подготавливаемой для возведения ленточного фундамента здания, убирают бульдозером растительный слой и выполняют предварительную планировку слабого грунта до исходной проектной отметки. Затем размечают оси ленточного фундамента и, используя самосвал, отсыпают площадку щебнем фракции 40-80 мм слоем 500 мм и разравнивают бульдозером. Перед началом работ на гладком вальце 1 самоходного грунтового катка марки ВГ-12-3 производства компании «ОАО Белдортехника» (Минск, Республика Беларусь) устанавливают две ленточные реборды 2, выполненные из стальных кулачков 3 (см. фиг. 1, 2). Основные технические характеристики катка: тип катка-самоходный вибрационный; ширина уплотняемой полосы, мм-2250; скорость передвижения, км/ч, рабочая 0-7; транспортная 0-13; двигатель, тип Д-245, мощность, кВт (л.с.) - 74 (100); диаметр вальца, мм-1500, при этом просвет между вальцом и рамой катка позволяет устанавливать на валец стальной бандаж с выступающими кулачками; колеса, количество, шт. - 2; шина 530-6108 модель ФД-14; давление в шинах, МПа - 0,12-0,18; линейное давление вальца, Н/мм - 30,2; наименьший радиус поворота катка по наружному контуру следа, м-6,6; угол статической поперечной устойчивости - 15°±2°; максимальный преодолеваемый подъем - 20°; вибратор-тип реверсивный с изменяющимся при реверсе кинетическим моментом; частота вращения дебалансов, Гц, прямой ход вибратора - 28,3; реверс вибратора - 40; вынуждающая сила (макс), кН, при частоте 40 Гц - 120; при частоте 28,3 Гц - 180; амплитуда колебаний (расчетная), мм, прямой ход вибратора - 1,1; реверс вибратора - 0,4; габаритные размеры, мм, длина - 5230; ширина - 2450; высота (без проблескового маяка) - 3270; масса, кг, конструктивная - 11900. Установленные на вальце 1 грунтового катка (каток не показан) ленточные реборды 2 состоят из выступающих наружу трапециевидных стальных кулачков 3 высотой h=200 мм, при этом площадь верхнего основания трапециевидного кулачка 3, опирающегося на грунт, составляет b×L=200 мм × 300 мм = 60000 мм, где b=200 мм - ширина верхнего основания кулачка 3, a L=300 мм - длина верхнего основания кулачка 3 и ленточной реборды 2. Стальные кулачки 3 шарнирно соединены в кольцеобразные ленточные реборды 2, которые при установке плотно охватывают по окружности валец 1 катка (см. фиг. 2). Для фиксации реборд 2 на поверхности вальца 1 предусмотрены отверстия Ф10 мм, в которые вставляют штыри 4 того же диаметра, приваренные к поверхности нижнего основания каждого кулачка 3. Ленточные реборды 2 устанавливают на вальце 1 катка на расстоянии А между осями (см. фиг. 3), равном ширине В подошвы запроектированного ленточного фундамента 5 (см. фиг. 4). Катком с установленными ленточными ребордами 2 уплотняют отсыпанный щебень 6 и вдавливают его в грунт, одновременно продавливая ребордами 2 две параллельно расположенные траншеи 7, ширина которых равна длине L ленточных реборд 2 и составляет 300 мм (см. фиг. 3). Грунтовый каток с установленными на валец 1 ребордами 2 перемещают вдоль оси запроектированного ленточного фундамента 5 таким образом, чтобы траншеи 7 располагались симметрично относительно оси ленточного фундамента 5 по краям подошвы фундамента 5. Площадку последовательно отсыпают щебнем 6 фракции 40-80 мм, уплотняют и вдавливают его в траншеи 7 катком с ребордами 2, перемещая каток вдоль оси фундамента 5 до тех пор, пока в траншеях 7 и окружающем их грунте не будет достигнута проектная глубина Н, упрочненной зоны геотехногенного массива (ГТМ) (см. фиг. 3, 4), а сам геотехногенный массив не примет арочную форму. Глубину Н, проектной упрочненной зоны ГТМ в грунте определяют по количеству проходов n катка. Глубина продавливания h щебня 6 в грунт траншеи 7 за один проход катка соответствует высоте h. ленточной реборды 2 и равна 200 мм (см. фиг. 3). Количество проходов n катка соответственно равно n=Н/h. Глубину Н упрочненной зоны ГТМ назначают проектом и ее ширина А между осями траншей 7 должна быть не менее ширины В подошвы запроектированного фундамента 5 (см. фиг. 4), при этом вертикальные оси траншей 7 могут совпадать с краями подошвы запроектированного ленточного фундамента 5. Окончательную глубину Н щебеночного заполнения траншей 7 проверяют георадаром. Способ усиления создает упрочненную зону не только за счет создания в верхнем слое грунтовой толщи усиленной зоны ГТМ из щебня 6, но также за счет арочного эффекта распора грунта, возникающего при устройстве ГТМ. При продавливании щебня 6 в грунт происходит не только усиление грунта щебнем 6, но эффективное дренирование влаги из нижних слоев грунта по вертикальным траншеям-дренам 7 и дополнительное уплотнение нижних слоев грунта. Отсыпанный в траншеи 7 и уплотненный щебень 6 препятствует вертикальному перемещению грунта основания под давлением катка. Слабый грунт вместе со щебнем перемещается горизонтально, повергается уплотнению катком, за счет чего образуется арочная форма ГТМ и дополнительное распорное усиление грунта. Щебень 6 в сформированных траншеях-дренах выполняет функцию вертикального дренажа. Процесс усиления малопрочных водонасыщенных грунтов завершают полным заполнением и уплотнением верхней части траншей 7 щебнем 6 до планировочной отметки поверхности, после чего выполняют отсыпку и выравнивание основания под проектную отметку подошвы фундамента 5 щебнем 6 фракции 40-80 мм шириной, в два раза превышающей ширину В подошвы фундамента 5.