СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ОСНОВАНИЯ
FOUNDATION PREPARATION METHOD

Изобретение относится к области строительства, в частности к способам подготовки оснований фундаментов зданий и сооружений, возводимых на просадочных и структурнонеустойчивых грунтах, и может быть использовано как при новом строительстве, так и при проведении ремонтно-восстановительных работ.
Для уплотнения и закрепления суглинков, супесей и других слабопроницаемых, а также структурно-неустойчивых грунтов в основании зданий и сооружений применяется способ высоконапорной инъекции, по которому под действием твердеющего (закрепляющего) раствора, подаваемого под давлением 1,2-10 МПа в заглубленный инъектор, производится образование в грунтовом массиве разрывов спешности и последующее заполнение этих разрывов указанным раствором с целью образования объемного структурного каркаса в основании (Коновалов П.А. Основания и фундаменты реконструируемых зданий. - М.: Стройиздат, 1988).
Известен способ устранения просадочных свойств и повышения структурной устойчивости лессового грунта методом цементации, включающий образование скважин с установкой в них инъекторов, нагнетание в грунт улучшающего раствора - пульпы, содержащей 15-30% грунта, и воды под давлением, достаточным для гидроразрыва грунта, а затем после замачивания и уплотнения грунта в образовавшиеся трещины и полости производят инъекцию песчано-цементного раствора, который образует жесткие силовые элементы в уплотненных зонах грунта (SU 1294910, E02D 3/12, 07.03.1987).
3
В другом случае в массив просадочного лессового грунта через инъекторы нагнетают лессовую пульпу, постепенно наращивая давление до 0,3-1,0 МПа со скоростью 3-5 м/ч в течение времени, необходимого для образования гидроразрыва грунта в массиве, затем скорость инъектирования уменьшают не менее чем в два раза для прекращения роста трещины гидроразрыва и продолжения замачивания участка массива вокруг трещины, после этого ведут нагнетание цементно-песчаного раствора под давлением 0,3-1,0 МПа, уплотняя грунт в промоченной зоне до достижения пористости 38-40%, при которой лессовый грунт становится непросадочным (RU 2015247, E02D 3/12, 30.06.1994).
Для создания грунтоцементного несущего элемента повышенной плотности в массиве лессового просадочного грунта в основании зданий и сооружений осуществляют предварительное замачивание грунта до оптимальной влажности при степени водонасыщения грунта 0,7…0,9, а затем нагнетание цементно-песчаной смеси (RU 2059044, E02D 3/12, 27.04.1996).
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является способ подготовки основания путем армирования массива грунта - создания в нем системы вертикальных регулируемых элементов повышенной жесткости (RU 2122068, E02D 3/12, 20.11.1998). Указанный способ включает в себя образование скважин с установкой инъекторов, замачивание, уплотнение и армирование массива грунта твердеющим раствором через гидроразрыв, при этом замачивание, уплотнение и армирование производят в одну стадию, в качестве твердеющего раствора применяют вспененный цементно-грунтовый раствор, который содержит в составе твердой фазы цемент 19,95-44,95, грунт 80-55, ПАВ 0,05 (мас.%), а количество воды в указанном растворе определяют с учетом замачивания массива грунта до оптимальной влажности.
Недостатком известного способа является использование в качестве замачивающего и армирующего раствора вспененного цементно-грунтового твердеющего раствора, что удорожает и усложняет производство работ по подготовке основания, а также делает невозможным прогнозирование прочности цементно-грунтового камня без проведения дополнительных исследований.
o
o
r
r
r
d
Это связано с тем, что определение и контроль состава цементно-грунтового раствора и, в частности, его водотвердого (В/Т) отношения авторы известного способа подготовки основания производят по величине разности значений оптимальной и природной влажности грунта основания. Как следует из описания патента RU 2122068, величина В/Т у цементно-грунтового раствора равна 0,5, а дополнительное количество воды, которое содержится в этом же растворе и которое рассчитывают по специальной формуле, должно пойти на замачивание грунта. При этом предполагается, что замачивание будет происходить до некоторой оптимальной влажности w. Судя по данным описания, указанной величине w соответствует степень влажности грунта S=0,60. Но совершенно очевидно, что заполнение пор грунта водой из замачивающего (твердеющего) раствора будет продолжаться естественным путем до того момента, пока грунт не перейдет в состояние, близкое к полному водонасыщению, которое по нормативным документам (СНиП 2.02.01-83*, п.3.2) характеризуется значением S=0,80. В то же время величина S зависит не только от влажности w грунта, но и от плотности ρ его скелетной части, поэтому конечное значение В/Т в твердеющем растворе после замачивания грунта, а следовательно, плотность и прочность цементно-грунтового камня в армирующих элементах могут меняться в весьма широких пределах.
Кроме того, нерегулярная каркасно-ячеистая структура из плоских армирующих элементов, получаемая при реализации известного способа подготовки основания, не позволяет обеспечить однородность армирования грунтового массива.
Задачей изобретения является создание простого и высокоэкономичного способа уплотнения грунтового массива в основании фундаментов зданий и сооружений, возводимых на лессовых и других просадочных грунтах, который при его реализации обеспечивает необходимую степень уплотнения грунта, однородность армирования грунтового массива и повышенную несущую способность основания.
Сущность изобретения состоит в том, что в способе подготовки основания, включающем образование скважин для установки в них инъектора, замачивание и уплотнение грунта путем нагнетания через инъектор замачивающего и уплотняющего раствора под давлением до образования гидроразрыва, измерение, регистрацию и регулирование давления нагнетания раствора, подачу указанного раствора через гидроразрыв для образования в грунте армирующего элемента и армирование массива грунта путем повторных погружений инъектора в примыкающие скважины, в качестве замачивающего и уплотняющего раствора используют водную суспензию карбонатного шлама химводоподготовки для котельных установок ТЭС или ТЭЦ, армирование выполняют в виде системы вертикальных объемных элементов повышенной плотности, которые образуются в грунте после его замачивания и уплотнения в результате нагнетания суспензии карбонатного шлама в образовавшиеся полости под давлением 3,5-4,0 МПа, давление нагнетания указанной суспензии повышают с максимальной скоростью до образования гидроразрыва и затем поддерживают равным начальному просадочному давлению грунта, а состав указанной суспензии определяют исходя из следующей формулы для ее водотвердого отношения:
и
и
d
ш
в
ш
где , n, w - соответственно значения степени влажности, пористости и природной влажности грунта, д.е.;  - коэффициент уплотнения грунта (здесь  - плотность сухого грунта в массиве, a ρ - плотность сухого грунта в уплотненном состоянии); ρ - плотность шлама в армирующем элементе; ρ - плотность воды в одинаковых с ρ единицах плотности.
3
2
Карбонатный шлам представляет собой тонкодисперсный минеральный порошок, который образуется в результате химической обработки питательной воды котельных установок ТЭС или ТЭЦ, осаждается в осветлителях и в виде водной суспензии направляется на шламоотвал. В карбонатном шламе производства Ростовской ТЭЦ-2 присутствуют в основном карбонат кальция в виде кальцита (72-75%), гидрооксид магния (5,0-5,5%), оксид кремния (2,0-2,5%), а также в небольшом количестве оксиды железа и алюминия. Плотность сухого вещества шлама равняется 1,05-1,10 г/см, а удельная поверхность порошка составляет 7800 г/см.
Утилизация шлама химводоподготовки представляет серьезную проблему для предприятий энергетики. Например, только на Нижнекамской ТЭЦ ежегодно образуется до 7000 тонн карбонатного шлама (www.eco.inno.ru/projects/?project=182). Вместе с тем, стабильный химический состав и высокая дисперсность карбонатного шлама открывают широкие перспективы для его применения в строительной индустрии и, в частности, для снижения просадочности и повышения несущей способности массивов просадочного грунта, используемых в качестве основания.
3
3
Возможность и целесообразность использования карбонатного шлама для этих целей основаны на следующих соображениях. Существуют разнообразные инженерные методы борьбы с просадочностью, которые сводятся к воздействию на неустойчивую структуру грунта и переводу ее в устойчивое, недеформируемое состояние. При этом стремятся повысить плотность просадочного грунта и (или) увеличить прочность контактов между его минеральными частицами. По существующим нормативным документам (Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01-83). - М.: Стройиздат, 1986, п.3.91) средняя плотность сухого грунта в уплотненном массиве основания зданий и сооружений, возводимых на просадочных и структурно неустойчивых грунтах, должна быть не менее 1,65 г/см. Однако макропористые лессовые грунты с плотностью твердого скелета от 1,25 до 1,45 г/см находятся в недоуплотненном состоянии. Повышение их плотности обычно производят путем поверхностного замачивания или трамбования (СНиП 2.02.01-83*, п.3.13), однако оба эти процесса являются весьма трудоемкими и не позволяют проводить глубинное уплотнение грунтового массива. Для решения последней задачи вначале производят замачивание грунта водой, нагнетаемой под давлением через заглубляемые инъекторы, а затем образовавшиеся в грунте полости заполняют цементно-песчаным раствором (RU 2059044). Но для приготовления такого раствора требуется специальное оборудование и расход дорогостоящего цемента, что усложняет и удорожает производство работ по подготовке основания. Если же глубинное замачивание и уплотнение производят с помощью лессовой пульпы (SU 1294910), то при высыхании уплотненные зоны дают усадку, теряют механический контакт с остальным массивом, вследствие чего после возведения здания или сооружения может произойти незапланированная просадка основания.
Однако для повышения несущей способности грунтового основания достаточно увеличить количество консолидированных минеральных частиц в единице объема грунта. Чем больше это количество, тем меньше сжимаемость грунта под действием внешней нагрузки. Таким образом, для уплотнения просадочного грунта вместо цемента можно использовать инертный скелетообразующий материал, который способен уплотняться под давлением до величины плотности, указанной в нормативных документах, и который вводят в грунт в виде водного "раствора", а он затем отдает воду для замачивания и уплотнения окружающего грунта, но в то же время не подвержен усадке при высыхании, как это происходит с лессовой пульпой. Всеми перечисленными свойствами обладает карбонатный шлам, водная суспензия которого благодаря высокой дисперсности шлама устойчива, хорошо прокачивается и легко отдает воду в контакте с пористым грунтом. Кроме того, вокруг частиц шлама имеется оболочка из адсорбционно связанной воды (www.germostroy.ru/art_215.php), которая увеличивает прочность межчастичных контактов, вследствие чего при уплотнении шлама его частицы будут структурироваться и цементироваться.
В соответствии с поставленной задачей производится выбор давления нагнетания раствора при замачивании, расчет состава предлагаемого раствора для замачивания, уплотнения и армирования грунта - водной суспензии карбонатного шлама, и определение давления для уплотнения карбонатного шлама в объемных элементах, армирующих грунтовый массив.
Образование гидроразрыва и замачивание грунта при подаче уплотняющего раствора выполняется одним из известных способов, например описанным в патенте RU 2059043, E02D 3/10, 27.04.1996. Для этого указанная суспензия подается в заглубленный инъектор с максимально возможной скоростью при контроле давления нагнетания. После образования гидроразрыва наблюдают падение давления и продолжают нагнетание под давлением, превышающим начальное просадочное давление для грунта в массиве, подлежащем уплотнению. Длительность замачивания определяют исходя из предполагаемого объема промоченной зоны и фактической скорости подачи раствора после образования гидроразрыва. Затем давление нагнетания вновь кратковременно поднимают до 3,5-4,0 МПа с целью уплотнения шлама в зоне инъекции и создания в грунте объемного армирующего элемента. Для этого цикл замачивания и нагнетания повторяют еще три раза, поворачивая инъектор вокруг продольной оси на 90°. Конструктивно инъектор выполняется в виде составной колонны из четырех одинаковых звеньев из трубы диаметром 35-50 мм, высотой 1-3 м (в зависимости от мощности слоя грунта, подлежащего уплотнению). В каждом звене имеется одно щелевидное отверстие, и при сборке колонны инъектора отверстия располагают так, чтобы они находились под прямым углом по отношению друг к другу. Таким образом, инъекционное тело будет состоять из четырех вертикально расположенных смыкающихся линз из уплотненного шлама и грунта.
и
r
и
Принимая во внимание, что замачивание грунта производится путем инъекции водной суспензии шлама от степени влажности , которая соответствует исходной (природной) влажности грунта w, до его полного водонасыщения (S≥0,8), а также то, что влажность шлама после замачивания и уплотнения грунта будет равна w, получаем, что объем воды, необходимый для замачивания единицы объема грунта, равен: . Ha основании этого можно определить массу закачиваемой воды в составе суспензии и затем ее водотвердое отношение (В/Т):
и
и
d
ш
в
ш
где , n, w - соответственно значения степени влажности, пористости и влажности грунта в исходном состоянии, д.е.;  - коэффициент уплотнения грунта (здесь  - плотность сухого грунта в исходном состоянии, а ρ - плотность сухого грунта в уплотненном состоянии); ρ - плотность шлама в армирующем элементе; ρ - плотность воды в одинаковых с ρ единицах плотности.
ш
d
3
Плотность шлама ρ как материала армирующих элементов должна быть равна 1,75 г/см (Пособие к СНиП 2.02.01-83, п.3.154). Это значение плотности, по мнению авторов, может быть достигнуто в результате дополнительного повышения давления нагнетания водной суспензии шлама при проведении инъекции после замачивания грунта вокруг инъектора. Для определения его величины в лабораторных условиях производили компрессионное сжатие карбонатного шлама с влажностью 0,15-0,20 при фиксированных давлениях с последующим определением его плотности ρ шлама (ГОСТ 5180-76. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик). Результаты испытаний приведены в таблице.
Давление компрессионного сжатия, МПа
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
Плотность сухого шлама после уплотнения, г/см<sup>3</sup>
1,18
1,30
1,41
1,50
1,59
1,67
1,75
1,82
1,88
3
Как видно из таблицы, при давлениях 3,5-4,0 МПа твердый дисперсный материал, замещающий грунт в армирующих элементах (карбонатный шлам), может уплотняться до таких значений плотности, которые необходимы для устранения просадочности грунта основания (1,75-1,82 г/см).
На чертеже показана в горизонтальном разрезе схема образования армирующего элемента в грунте в результате нагнетания в него под давлением суспензии карбонатного шлама, иллюстрирующая предлагаемый способ подготовки основания.
На первом этапе в грунте 1 образуются гидроразрывы 2 напротив отверстий инъектора 3, заполняемые нагнетаемой суспензией, на втором при дальнейшей подаче суспензии происходит интенсивное замачивание грунта и образование в нем уплотненных зон 4, и на третьем этапе формируются объемные элементы из уплотненного карбонатного шлама 5 после повышения давления нагнетания до 3,5-4,0 МПа.
Для реализации предлагаемого способа подготовки основания необходимо вначале по формуле определить величину В/Т и затем рассчитать количество воды В и твердой фазы (шлама) Т, используя очевидное соотношение: В+Т=100 (%). После этого исходя из принятых размеров уплотняемой площади и коэффициента армирования массива можно в соответствии с Пособием к СНиП 2.02.01-83 выбрать схему размещения скважин, размеры зон уплотнения и, следовательно, определить объем грунта, подлежащего замачиванию и уплотнению при каждом погружении инъектора.
Ниже приведен пример выполнения предлагаемого способа. На площадке строительства школы в г.Ростове-на-Дону согласно инженерно-геологическим изысканиям в массиве основания фундамента были выделены четыре инженерно-геологических элемента (ИГЭ):
ИГЭ-1 - насыпной грунт мощностью 1,2 м;
ИГЭ-2 - суглинок лессовидный просадочный мощностью 4,5 м
3
(=1,44 г/см, =0,47, =0,49);
ИГЭ-3 - суглинок лессовидный непросадочный твердый, мощность не определена.
r
d
d
3
3
3
3
Для уплотнения суглинка в ИГЭ-2 было произведено пробное бурение скважины диаметром 78 мм и глубиной 6 м. В скважину был погружен инъектор, изготовленный из тампонажной трубы диаметром 48 мм с длиной перфорированной части 3,3 м и снабженный пакеровочным устройством. На основании показателей физико-механических свойств суглинка в ИГЭ-2 с целью доведения его структуры при замачивании до полного водонасыщения (S=0,85) было определено, что значение В/Т для приготовляемой суспензии должно составлять 0,64. Перемешивание суспензии производили в турбулентном растворосмесителе ТБС-250. Гидравлическая система нагнетательной установки содержала накопительный бункер, буровой насос НБ3-120/40, компенсатор давления и запорную арматуру. При подаче суспензии давление нагнетания повышалось со скоростью 0,5 МПа/мин до образования гидроразрыва при 0,38 МПа и затем было снижено до 0,25 МПа (начальное просадочное давление грунта в ИГЭ-2 на глубине 5,5 м составляло 0,22 МПа). Нагнетание суспензии при замачивании и уплотнении грунта проходило со скоростью 1,1 м/ч. В конце нагнетания давление кратковременно повышали до 3,8 МПа. Всего в скважину при всех поворотах инъектора было закачано 0,64 м суспензии. При отрывке шурфа в грунтовом массиве был выделен армирующий элемент с поперечным размером 1,4 м и высотой 4 м, на периферии которого располагался слой уплотненного грунта с ρ=1,77 г/см и мощностью 0,2 м, а его средняя часть состояла из уплотненного шлама с плотностью ρ у инъектора, равной 1,75 г/см.
Повышение несущей способности основания было достигнуто созданием системы таких же армирующих элементов, размещенных по всей площади грунтового массива в том порядке и на таких расстояниях, которые рекомендованы в Пособии к СНиП 2.02.01-83, пп.3.142, 3.148-3.152.
Как следует из описания, в предлагаемом способе подготовки основания необходимая степень уплотнения грунта в грунтовом массиве достигается применением нового по составу замачивающего и уплотняющего раствора, закачиваемого в грунт по новой технологии, отличающейся от известных выбором величины давления нагнетания раствора на различных этапах, чем достигается необходимая величина плотности материала армирующих элементов. Простота способа обусловлена тем, что предварительное замачивание грунта, необходимое для его последующего уплотнения, производится с помощью воды, содержащейся в уплотняющем растворе (водной суспензии карбонатного шлама). Использование карбонатного шлама как минерального скелетообразующего материала вместо цементно-грунтовой или цементно-песчаной смесей в армирующих элементах для уплотнения грунтового массива приводит к значительному удешевлению создания основания с повышенной несущей способностью, ввиду того что карбонатный шлам является отходом технологического процесса при производстве питательной воды для котельных установок ТЭЦ или ТЭС.
Дополнительным положительным техническим результатом является образование объемных вертикальных армирующих элементов, что повышает надежность армирования грунтового массива. Этот результат достигается специальным технологическим приемом - трехкратным поворотом вокруг вертикальной оси инъектора, содержащего продольные щелевидные отверстия, расположенные под прямым углом относительно друг друга по длине инъектора.