СПОСОБ УКРЕПЛЕНИЯ ОСНОВАНИЙ ЗДАНИЙ НА СТРУКТУРНО-НЕУСТОЙЧИВЫХ ГРУНТАХ И ГРУНТАХ С КАРСТОВЫМИ ОБРАЗОВАНИЯМИ
REINFORCEMENT METHOD OF FOUNDATIONS OF BUILDINGS ON STRUCTURALLY UNSTABLE SOILS AND SOILS WITH KARST FORMATIONS

Область техники
Заявляемый в качестве изобретения способ укрепления оснований зданий на грунтах с карстовыми образованиями относится к области строительства, в частности к технологиям усиления просадочных, структурно-неустойчивых и слабых карстовых грунтов в основании фундаментов зданий и сооружений.
Уровень техники
Грунты с карстовыми явлениями ненадежны для любого вида инженерных сооружений, т.к. несущая способность грунтов у границ карстовых образований снижается в связи с разуплотнением грунта вокруг последних и ростом давления в основании при перераспределении нагрузки на грунты от зданий и сооружений.
Ширина зоны ослабленного основания вокруг карстового образования определяется в зависимости от типа грунта, его состояния и глубины провала и определяется по таблице 9 (Метелюк Н.С., Бучинский Ю.Л., Коваленко М.А., Горновесова Т.Г. Проектирование и защита производственных зданий в особых условиях. Киев, «Будiвельник», 1984, с.21, рис.5).
Известен способ, которым предусматривается создание фундамента в виде свайного поля, замедляющего рост карстовой воронки (одного из видов карстового образования) в случае ее возникновения. Расстояние между сваями не должно быть более 1/3-1/5 диаметра прогнозируемой воронки, а их длина должна превышать возможную глубину провала на 0,5-0,7 м. Устойчивость сооружения может обеспечиваться увеличением опорной поверхности фундамента путем устройства резервного числа элементов опирания консольного типа. (1).
Основным недостатком способа является невозможность повышения прочности грунтов основания, т.к. наличие свай в свайном поле не устраняет возможность задаваемого рассредоточения свай в свайном поле и их длина не учитывает неоднородность грунтов основания и их реальную распределительную способность.
Кроме того, указанный способ предназначен только для работы на грунтах с прогнозируемыми карстовыми явлениями и не учитывает разнообразия типов карста (по литологии карстующихся пород, глубине их залегания, составу покровной толщи и т.д.), не учитывает механизмы образования карстов и не изменяет условия и характеристики грунта, способствующие продолжению процессов карстообразования.
Известен также способ упрочнения закарстованных грунтов, в котором рекомендуется для обеспечения возможности заполнения карстовых воронок, образовавшихся под фундаментом здания или сооружения, и предотвращения их развития, предусматривать в проектах типовых и индивидуальных зданий и сооружений устройство в полах подвалов и в фундаментах сквозных отверстий размерами не менее 150×150 мм с шагом 6×6 м для нагнетания цементного раствора, бетона или бесцементного материала. (2).
Основным недостатком данного способа является возможность дополнительных деформаций элементов конструкции зданий и сооружений, т.к. бетон, заполняющий карстовую воронку, сопрягается с разуплотненным грунтом, уплотняет его собственным весом, и уплотняемый грунт уходит от подошвы фундамента. При этом разуплотненный грунт вокруг карстового образования имеет заниженную несущую способность по сравнению грунтом вмещающего его массива, а нагрузку, в связи с ее перераспределением, имеет увеличенную. Кроме того, способ заполнения бетоном карстовых воронок является очень материалоемким, так как бетон имеет большое время схватывания и подвергается воздействию окружающей среды, способствующей его размыву и уносу.
Наиболее близким по назначению и технической сущности к заявляемому способу укрепления оснований зданий на грунтах с карстовыми образованиями является способ создания искусственного армированного основания для возводимого или реконструируемого здания. Искусственное армированное основание предназначено для усиления слабых водонасыщенных и структурно-неустойчивых грунтов в основании зданий и сооружений и создается из твердеющего материала в грунтовом массиве следующим образом. В грунт через инъекторы под высоким давлением (5-20 атм) нагнетают цементный раствор. Раствор 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. Замоноличенные своей глухой частью в фундамент и входящие в укрепляемый грунт острием они выполняют функцию микросвай. (3) Установка в одну скважину нескольких инъекторов с различной величиной заглубления дает возможность укреплять 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.
Основным недостатком известного способа является неуправляемость процесса заполнения каверн и трещин цементным раствором, имеющим достаточно большой срок выдержки для необходимого набора прочности. В условиях слабых водонасыщенных и структурно-неустойчивых грунтов это может привести к большим потерям цементного раствора из-за его непосредственного контакта с грунтовыми водами, которые могут присутствовать в различных слоях грунта, например, при суффозионных процессах, а при формировании гидроразрывом каверн и полостей могут формироваться в направленные потоки.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в формировании укрепленного геомассива, в структуре которого заполняемые неразмывающимися и быстросхватывающимися материалами карстовые образования или зоны со структурно-неустойчивым грунтом включаются в укрепленный геомассив в виде монолитных структур.
Раскрытие изобретения
Поставленная задача решается за счет того, что в способе укрепления оснований зданий на структурно-неустойчивых грунтах с карстовыми образованиями, согласно изобретению, предварительно определяют размер и глубину залегания карстового образования, находящегося под основанием здания, далее, по периметру здания, по меньшей мере, в один ряд, образуют первый тип скважин, в каждую из которых вводят инъекторы, инъектируя твердеющий раствор в стенки скважин, при этом скважины образуют таким образом, чтобы при инъектировании между соседними в ряду скважинами образовывались пересекающиеся зоны уплотненного грунта, в нижней зоне разрыхленных грунтов геомассива, расположенных вокруг зоны обрушения карстового образования, формируют не менее двух рядов скважин второго типа, расположенных по линии периферии свода, в которые также, посредством инъекторов, нагнетают твердеющий раствор, формируя из твердеющего раствора по высоте карстового образования подобие стен из пересекающихся плоских по вертикали твердых элементов, затем, в нижней зоне разрыхленных грунтов геомассива, расположенных над куполообразным сводом зоны обрушения карстового образования, формируют третий тип скважин, расположенных по воображаемой поверхности куполообразного свода карстового образования и выходящих за периметр зоны, охваченной скважинами второго типа, в которые также, посредством инъекторов, нагнетают твердеющий раствор, формируя над карстовым образованием куполообразный массив хотя бы из одного слоя пересекающихся между собой плоско-параллельных элементов с образованием уплотненного геомассива грунта над куполообразным массивом, после чего образовывают по меньшей мере одну скважину четвертого типа с выходом ее в полость карстового образования, которую заполняют твердеющим раствором, с образованием в полости карстового образования объемного элемента, причем при наличии в карстовом образовании суффозионных процессов, в полость карстового образования вводят хотя бы одну гибкую оболочку, в которую осуществляют нагнетание твердеющего раствора, после затвердевания которого дополнительно уплотняют грунт над слоями плоско-параллельных элементов куполообразного массива посредством нагнетания твердеющего раствора сверху вниз или снизу вверх в трещины и пустоты, образовавшиеся в процессе формирования куполообразного свода из плоско-параллельных элементов, кроме того, в качестве твердеющего раствора используют цементный раствор и/или сырьевую смесь, содержащую кремнеземистый компонент, газообразователь и затворитель.
В зависимости от размеров здания и карстового образования, для уплотнения грунта над плоско-параллельными элементами куполообразного массива дополнительно формируют пятый тип скважин, размещенных внутри периметра первого типа скважин, и расположенных в шахматном порядке с отступом друг от друга в ряду и каждого ряда друг от друга не менее 2 м.
Целесообразно, чтобы первый тип скважин располагали с отступом друг от друга в ряду и каждого ряда друг от друга не менее 2 м.
Нагнетание твердеющей смеси в скважинах первого, третьего и пятого типов ведут по высоте с шагом от 1 до 3 м.
В качестве кремнеземистого компонента в сырьевой смеси используют золу уноса с последовательным добавлением к ней извести-пушонки, газообразователя и стабилизатора смеси в виде древесного опила, причем в качестве газообразователя используют алюминиевый порошок марки ПАВ с размером частиц до 100 мкм и/или алюминиевую пудру.
Предпочтительно использование в сырьевой смеси в качестве затворителя жидкого натриевого стекла и раствора гидрата окиси натрия.
Формирование куполообразного свода из плоско-параллельных элементов ведут одновременно во все стороны от точки свода с максимальной глубиной залегания до наивысшей точки свода.
Кроме того, формирование куполообразного свода из плоско-параллельных элементов могут вести одновременно во все стороны от наивысшей точки свода с минимальной глубиной залегания до низшей точки свода с максимальной глубиной залегания соответственно.
Техническим результатом заявленного способа укрепления оснований зданий на грунтах с карстовыми образованиями является повышение надежности укрепленного геомассива и снижение трудоемкости и материалоемкости при его формировании.
Формированием нижней зоны укрепленного геомассива куполообразной формы из сомкнутых плоско-параллельных затвердевших грунто-цементных или алюмосиликатных элементов, образованных в верхнем разрыхленном слое грунта по воображаемой поверхности куполообразного свода и опирающихся на сформированные ранее вокруг карстового образования подобия стен из пересекающихся плоских по вертикали твердых элементов, создается устойчивое основание, над которым производится последующее заполнение каверн и трещин в зоне разрыхленных грунтов над карстовым образованием или зоной структурно-неустойчивых грунтов, а затем и полостей карстовых образований твердеющим раствором, в сырьевую смесь которого включены кремнеземистый компонент, газообразователь, а в качестве затворителя жидкое натриевое стекло и раствор гидрата окиси натрия.
Реакция выбранного газообразователя - алюминиевого порошка - с водными щелочными растворами протекает с выделением газообразного водорода и большого количества тепла, что приводит к закипанию воды и бурному вспениванию реакционной массы и позволяет получить формируемые в способе алюмосиликатные элементы в виде пористого пеносиликата конструкционного назначения, не подвергающегося суффозионным процессам.
Скорость реакции зависит от многих факторов: pH водной среды, вязкости затворяемого теста, содержания газообразователя и размеров его частиц.
Процесс пенообразования в затворяемой массе ускоряется по мере увеличения pH затворителя - жидкого натриевого стекла с добавлением раствора гидрата окиси натрия.
Раствор гидроокиси натрия выступает в качестве носителя воды, понижая модульность жидкого стекла, увеличивает pH среды и является также регулятором схватывания и твердения вяжущего, в качестве которого используется зола-унос.
Введение извести также увеличивает щелочность раствора, обеспечивая энергичное протекание реакции газообразования.
2
2
2
3
2
2
3Ca(OH)+2Al+6HO=3CaO·AlO·6HO+3H
При использовании указанной сырьевой смеси для заполнения каверн и трещин в зоне разрыхленных грунтов и их закачке через инъекторы в указанной последовательности, в результате реакции с водными щелочными растворами выбранного газообразователя - алюминиевого порошка с размерами частиц от 50 до 100 мкм, происходит выделение газообразного водорода, ведущее к бурному вспениванию реакционной массы и в течение короткого временного периода образуются нерастворимые в водной среде алюмосиликатные элементы, по скорости набора прочности, и, следовательно, по несущей способности, опережающие образование грунто-цементных элементов. При этом реакция закачанной в каверны и трещины сырьевой массы, содержащей кремнеземистый компонент с газообразователем, в качестве которого используют алюминиевые порошки, и с затворителем из жидкого натриевого стекла и раствора гидрата окиси натрия, сопровождается выделением большого количества тепла, что приводит к закипанию воды и резкому повышению давления до 40 атм, чем создаются условия для уплотнения грунтов, попадающих в пространство между образующимися алюмосиликатными элементами.
Благодаря формированию опорного подобия стен из плоских по вертикали элементов и опирающегося на него куполообразного слоя из сомкнутых плоскопараллельных грунто-цементных или алюмосиликатных элементов в нижней зоне разрыхленных грунтов геомассива, расположенных над поверхностью карстового образования или зоны структурно-неустойчивого грунта, и последующему формированию в слое разрыхленных грунтов алюмосиликатных элементов, между которыми располагаются включения уплотненного грунта, создается монолитный геомассив, обеспечивающий повышение его надежности.
В случае наличия в карстовых полостях водных потоков (например, при суффозионных процессах природного или техногенного характера) перед подачей твердеющего раствора в карстовые образования в их зону могут вводиться гибкие оболочки, в которые осуществляют подачу твердеющего раствора.
Заявляемый способ укрепления оснований зданий на структурно-неустойчивых грунтах и грунтах с карстовыми образованиями с использованием указанной выше сырьевой смеси прошел апробирование при реализации проекта укрепления геомассива в г.Москве, на правобережном районе реки Яузы и поясняется приведенными ниже эскизами и рисунками.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение иллюстрируется чертежами, где:
На фиг. 1 показана схема расположения инъекторов по разрезу укрепляемого
основания;
на фиг. 2 - схема расположения инъекторов в плане по площадке укрепляемого основания;
на фиг.3 приведена структурная схема укрепления основания здания в области карстового образования - вертикальный разрез геомассива;
на фиг.4 показан схематично вертикальный разрез укрепленного геомассива.
Осуществление изобретения
Способ укрепления оснований зданий на структурно-неустойчивых грунтах и грунтах с карстовыми образованиями осуществляется следующим образом.
В предпроектных геофизических исследованиях грунтов в основании здания использовались методы, учитывающие опыт карстового мониторинга, например метод электрического одностороннего зондирования (ОЗ) по двум направлениям.
В электроразведочных работах методом ОЗ на участке исследований, характеризующемся ограниченностью и загроможденностью территории соседствующими зданиями и техническими коммуникациями, использовалась электроразведочная аппаратура «ЭРА».
В результате проведенных исследований была выявлена характерная система зон повышенной трещиноватости, и в двух пересечениях трещин зарегистрированы два купола обрушений на глубине 38-48 м в известняках подольско-мячковского водоносного грунта. Ниже, в Таблице 1, приведена характеристика куполов обрушения.
Таблица 1
Характеристика куполов обрушения
Местоположение карстового образования
Диаметры образований в м
Ориентировочная высота образований в м
Основания куполообразного свода
Образование в виде фильтрационной воронки
Свод в северной части обследуемой площадки
1,8
3,0
4,0
Обрушения известняков на территории, примыкающей к обследуемой площадке с юга
1,2
2,0
6,0
2
По результатам обследования территорий, примыкающих к обследуемой площадке, и при оценке плотности распределения сводов на обследуемой площадке установлено, что плотность проявления карстовых образований в виде сводов обрушения пород в известняковой толще составляет около 0,6 на 100 м. При учете размеров полостей более 1 м, (т.е. они являются потенциально опасными), территория, подлежащая упрочнению грунтов, согласно требованиям СП11-105-97 т. П, т.5.1 имеет V категорию устойчивости относительно интенсивности образования карстовых провалов. Результат обследования грунта приведен на рисунке 1.
Согласно вышеприведенным данным предпроектного обследования территории разработана последовательность укрепления слоев грунта над сводом в северной части площадки и в зоне образования в виде фильтрационной воронки на южной стороне, которая сведена к следующему.
2
На укрепляемой площадке в основании здания (Фиг. 1, 2), территория которой составляла не менее 1000 м, по периметру были сформированы два ряда скважин первого типа 1, расположенные на расстоянии друг от друга в ряду не менее 3 м, в которые были введены инъекторы 2 для формирования экранирующей стенки 4 из грунто-цементных или алюмосиликатных элементов, образованных закачиваемой через инъекторы 2 твердеющей смеси. На огражденной территории в зоне карстового образования 5, по линии периферии свода, сформированы два ряда скважин второго типа 6, в которые также, посредством инъекторов, нагнетают твердеющий раствор, формируя из твердеющего раствора по высоте карстового образования подобие стен 7 из пересекающихся плоских по вертикали твердых элементов. При этом глубина введения инъекторов 2 в скважины 1 по периметру укрепляемой площадки и инъекторов 2 в зоне карстового образования 5, т.е. внутри огражденной скважинами первого типа 1 (Фиг.2) территории, составляла не менее 48 м. В зоне обрушения 8 грунта в виде куполообразного свода с образованием полости 9 были сформированы скважины третьего типа 10, нижние основания которых на максимальной глубине зоны трещиноватости образовали воображаемую поверхность куполообразного свода карстового образования, выходящую за периметр зоны, охваченной скважинами второго типа 6. В скважины второго типа 6 были ведены инъекторы 11, посредством которых из сырьевой смеси, состоящей из кремнеземистого компонента, газообразователя и затворителя, над зоной обрушения формировали куполообразный массив из одного слоя (или нескольких слоев) пересекающихся между собой плоско-параллельных алюмосиликатных элементов 12 и с образованием, вследствие происходящих в закачанной сырьевой смеси описанных выше реакций, протекающих с выделением большого количества воды и тепла, уплотненного геомассива грунта над куполообразным массивом. После чего, в зависимости от размеров зоны обрушения, формировались одна или несколько скважин четвертого типа 13 с прохождением ее/их в полость 9 карстового образования. Один или несколько инъекгоров 11 вводились в объем полости 9 последнего, и через инъектор/ы осуществлялась подача твердеющего раствора (сырьевой смеси, содержащей кремнеземистый компонент, газообразователь, и затворитель - жидкое натриевое стекло и раствор гидрата окиси натрия, для заполнения полости 9 образующимся в ней объемным элементом 14 из нерастворимого в водной среде алюмосиликата, обеспечивающего необходимый набор прочности в течение короткого отрезка времени. Причем при наличии в карстовом образовании суффозионных процессов, в полость 9 карстового образования вводилась хотя бы одна гибкая оболочка 15, в которую осуществлялось нагнетание твердеющего раствора.
Подобная последовательность проведения процесса укрепления грунта применяется и в зоне карстового образования в виде фильтрационной воронки 16 и в зоне обрушения 17.
После отверждения элементов 14 в полости 9 карстового образования и в зоне обрушения карстового образования в виде фильтрационной воронки 16 и в зоне обрушения 17 производят уплотнение грунтов над куполообразными сводами из элементов 12 под всем основанием здания или сооружения, подавая твердеющий раствор сверху вниз или снизу вверх в естественные трещины и пустоты разрыхленного грунта, и используют для заполнения трещины и пустоты, образовавшиеся в процессе формирования куполообразного свода из элементов 12 в результате сопровождающего его процесса уплотнения грунта. Для чего внутри укрепляемой площадки формировали скважины пятого типа 18, в которых, посредством используемых инъекторов 2 или 11, нагнетали твердеющий раствор сверху вниз или снизу вверх в трещины и пустоты, образовавшиеся в процессе формирования куполообразного свода из плоско-параллельных элементов 12.
Благодаря формированию опорного куполообразного слоя из сомкнутых плоско-параллельных алюмосиликатных элементов 12 в нижней зоне разрыхленных грунтов геомассива, расположенных над поверхностью карстового образования или зоны структурно-неустойчивого грунта, и последующему формированию в слое разрыхленных грунтов алюмосиликатных элементов, между которыми располагаются включения уплотненного грунта, и использованию для укрепления геомассива предлагаемой сырьевой смеси, создается монолитный геомассив, обеспечивающий повышение надежности основания, и достигается значительный экономический эффект, обусловленный использованием дешевого сырья и снижением энергетических затрат на введение сырьевой смеси через инъекторы в грунт.
Источники информации
1. Ухов С.Б., Семенов В.В., Знаменский В.В., Тер-Мартиросян З.Г., Чернышев С.Н. Механика грунтов, основания и фундаменты. - М.: Издательство АСВ, 1994, с.446-447, рис.16.6, 16.7.
2. Инструкция по проектированию зданий и сооружений в районах г. Москвы с проявлением карстово-суффозионных процессов. Мосгорисполком, 1984, п.149, с.11
3. Описание к патенту RU на полезную модель №121274 по кл. МКИ E02D 3/12, заявка №2012124958/03 от 15.06.2012, опубликовано 20.10.2012.