ИСКУССТВЕННОЕ АРМИРОВАННОЕ ОСНОВАНИЕ ДЛЯ ВОЗВОДИМОГО ИЛИ РЕКОНСТРУИРУЕМОГО ЗДАНИЯ

Полезная модель относится к области строительства и может быть применена при инженерной подготовке строительных площадок для нового строительства, а также для укрепления грунтов оснований существующих зданий при решении проблем потери их несущей способности, при надстройках этажности, когда возникает необходимость расширения фундамента, или при реконструкции зданий.
Известны способы подготовки искусственных оснований:
- путем уплотнения грунтов (трамбованием тяжелыми трамбовками, устройством грунтовых свай, вытрамбовыванием котлованов под фундаменты, предварительным замачиванием грунтов, использованием энергии взрыва, глубинным гидровиброуплотнением, вибрационными машинами, катками и т.п.);
- полной или частичной заменой в основании грунтов с неудовлетворительными свойствами подушками из песка, гравия, щебня и т.п.;
- устройством насыпей (отсыпкой или гидронамывом);
- закреплением грунтов (химическим, электрохимическим, буросмесительным, термическим и другими способами);
- введением в грунт специальных добавок (например, засолением грунта или пропиткой его нефтепродуктами для ликвидации пучинистых свойств);
- армированием грунта (введением специальных пленок, сеток и т.п.);
- путем забивки свай.
Известно, например, искусственное армированное основание (RU 2380482, МПК E02D 3/12, опубл. 27.01.2010). представляющее собой армированный массив грунта, который получают путем нагнетания через инъекторы уплотняющего раствора. Армирование обеспечивают системой 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. Инъекторы извлекают из грунта после нагнетания инъекционного раствора.
Недостатками известных способов являются: недостаточная несущая способность полученных грунтов, невозможность забивки или задавливания свай ввиду наличия в насыпных грунтах железобетонных и металлических захороненных предметов. Кроме того, имеют место динамические воздействия при забивке свай на вблизи расположенные существующие здания и сооружения, высокая стоимость работ.
Задачей полезной модели является повышение несущей способности грунтов при инженерной подготовке строительных площадок для нового строительства или для укрепления грунтов оснований существующих зданий, удешевление работ, сокращение сроков строительства зданий и сооружений.
Задача решается искусственным армированным основанием для возводимого или реконструируемого здания, представляющим собой грунтоцементный армированный массив, включающий металлические неизвлекаемые инъекторы с глухой, перфорированной частью и острием, выполненные из труб диаметром 32-76 мм, забитые в предварительно пробуренные через фундамент возводимого или реконструируемого здания скважины, и расположенные в шахматном порядке в несколько рядов, включая барьерный ряд, выполненный по периметру искусственного основания за пределами фундамента здания, причем инъекторы замоноличены глухой частью в тело фундамента, а через них в грунт введен под пригрузом инъекционный цементный раствор.
Согласно полезной модели:
- в одной скважине расположены несколько различных по высоте инъекторов, предназначенных для поочередной цементации нескольких зон укрепляемого грунта, причем перфорированная часть каждого последующего инъектора расположена ниже перфорированной части предыдущего, не перекрывая ее;
- пригруз вначале обеспечен бетонной подготовкой, а затем телом сооружения или фундаментной плитой;
- инъекционный раствор, кроме цемента и воды, содержит цементную пыль и жидкое стекло или цементную пыль, глину бентонитовую и жидкое стекло, или цементную пыль, песок мелкой фракции и жидкое стекло, или жидкое стекло;
- скважины расположены вертикально и/или наклонно;
- каждый инъектор зафиксирован в скважине пакером, который может быть как поверхностным, так и глубинным;
- при диаметре пробуренной скважины, превышающем диаметр инъектора более, чем на 30 мм, затрубное пространство глухой части инъектора зацементировано.
Указанный технический результат достигается благодаря следующему. 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.
Установка в одну скважину нескольких инъекторов дает возможность укреплять различные по глубине 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. Замоноличивание инъекторов в фундамент препятствует их выпору и способствует более жесткой посадке, предотвращает сдвижки при нагнетании в них раствора под высоким давлением. Так как инъекторы изготавливают из металлической трубы, их замоноличенная в фундамент глухая часть служит дополнительным армированием фундамента.
Добавление в цементный раствор таких связующих добавок как цементная пыль, песок, глина бентонитовая, удешевляет процесс укрепления грунтов и улучшает их физико-механические свойства. Цемент в этом случае в состав раствора входит лишь в небольшом количестве (20-50% от общего количества сухих смесей).
Барьерный ряд инъекторов служит завесой для предотвращения выхода инъекционного раствора за границы площади искусственного основания.
Полезная модель поясняется рисунками, где
на фиг.1 показана схема заявляемого искусственного армированного основания, вид сверху;
на фиг.2 - схема расположения инъекторов в грунте.
Искусственное армированное основание содержит металлические не-извлекаемые инъекторы 1. Позицией 2 обозначен фундамент, а образованный из укрепленных грунтов техногенный массив, расположенный под подошвой фундамента - позицией 3.
Искусственное армированное основание возводят следующим образом.
Бурят скважины по бетонной подготовке, устанавливают в них инъекторы 1, имеющие глухую, перфорированную часть и острие 50-100 см. По периметру искусственного основания создают барьерный ряд инъекторов 1. Внутри барьерного ряда инъекторы забивают в предварительно пробуренные по сетке скважины. Размер сетки зависит от состава и свойств грунтов и может составлять от 1.5×1.5 м до 5×5 м. Все инъекторы острием входят в укрепляемый грунт. Глухая часть инъектора 1 замоноличивается в фундамент 2. В одну скважину можно установить несколько различных по высоте инъекторов, предназначенных для поочередной цементации нескольких зон укрепляемого грунта по различной глубине расположения, причем при установке в скважину более одного инъектора ее осуществляют таким образом, чтобы перфорированная часть каждого последующего инъектора располагалась ниже перфорированной части предыдущего, не перекрывая ее. При этом при установке нескольких инъекторов второй инъектор будет иметь глухую часть, равную перфорированной части первого инъектора, а при установке третьего инъектора высота его глухой части будет складываться из суммы высот перфорированных частей первого и второго инъектора для точного растекания инъекционного цементного раствора по каждой из зон укрепления (цементации) по глубине.
Далее производят работы по нагнетанию через инъекторы 1 под пригрузом, создаваемым зданием, инъекционного цементного раствора в грунт с обеспечением его гидроразрыва при давлении 5-20 атм. В инъекторы барьерного ряда инъекционный раствор нагнетают в первую очередь, через два в каждый третий, трижды проходя круг по барьерному ряду, причем нагнетаемый в них раствор имеет более вязкую консистенцию по сравнению с раствором, нагнетаемым в инъекторы внутри барьерного ряда, и содержит быстротвердеющие добавки. При наличии в одной точке инъектирования двух или трех инъекторов цементацию зон грунта по глубине производят поэтапно
- нисходящим или восходящим способом (от более короткого инъектора к более длинному или наоборот).
В цементный раствор, состоящий из цемента и воды, добавляют цементную пыль и жидкое стекло, или цементную пыль, глину бентонитовую и жидкое стекло, или цементную пыль, песок мелкой фракции и жидкое стекло, или жидкое стекло. Инъекционный раствор подают в укрепляемую зону грунта через каждый инъектор поэтапно, создавая в ней послойное грунто-цементное соединение, причем после введения 1\3 проектного количества раствора инъектор промывают и заливают глино-бентонитовым раствором, перекрывают шаровым краном, устанавливаемым на каждый инъектор, отстаивают в таком положении сутки, после чего осуществляют дальнейшее нагнетание раствора. При установке в скважине нескольких инъекторов нагнетание инъекционного раствора через них осуществляют поэтапно, начиная от меньшего по высоте инъектора к большему или наоборот. Нагнетание инъекционного раствора по площади осуществляют поэтапно путем постепенного сближения, начиная с максимально удаленных друг от друга инъекторов.
Порядок и условия проведения работ различен в зависимости от свойств грунтов, поставленных задач (противофильтрационные работы, геотехнические противокарстовые работы, усиление насыпных или суффозионных грунтов с целью улучшения их физико-механических свойств). Например, нагнетание растворов в трещиноватых скальных и закарстованных грунтах производят в одну зону, сразу на всю глубину цементации. Величина зоны устанавливается проектом. В результате введения инъекционного раствора в грунт создается новый техногенный массив 3, имеющий улучшенные физико-механические свойства.
По окончании работ по цементации надземную часть инъектора срезают и заливают цементной пробкой. Таким образом, инъекторы являются неизвлекаемыми и служат элементами вертикального армирования.
Примеры конкретного выполнения полезной модели на различных объектах (5 объектов) отражены в таблицах 1-3.
Таблица 1.
№объекта
Вид грунтов, особенности
Цель работ по укреплению грунтов
Количество растворов, использованные добавки
1
Грунты сильноводопроницаемы, открытые карстовые полости, мергель, аргилит, песчаник, карстово-суффозионный процесс
Укрепление грунтов в основании свай, понижение фильтрации.
Два раствора, нагнетаемые в два инъектора: в один добавляли жидкое натриевое стекло, в другой глину бентонитовую и жидкое калийное стекло.
2
Оползневые, просадочные грунты и сульфатно-карбонатный карст (суглинки)
Укрепление грунтов основания
1 раствор, содержащий в качестве добавки жидкое натриевое стекло.
3
Сульфатно-карбонатный карст, оползневые процессы, пучение грунтов, 2-якатегория грунтов.
укрепление грунтов основания, понижение фильтрации.
В цементный раствор добавляли глину бентонитовую (1 раствор).
4
оползневые, просадочные грунты и сульфатно-карбонатный карст (насыпные грунты).
устранение оползнеопасной ситуации.
В цементный раствор добавляли жидкое калийное стекло (1 раствор).
5
насыпной неслежавшийся грунт, песок, щебень, обломки камня, прослойки грунта глины с песчаником.
увеличение несущей способности свай, забитых не по проекту, укороченных и в меньшем количестве.
В цементный раствор добавляли цементную пыль, жидкое натриевое стекло (1 раствор).
Таблица 2.
№ объекта
Модуль деформации, Мпа
удельное сцепление, Мпа
коэффициент фильтрации, мсутк.
коэффициент пористости
угол внутреннеготрения, град.
плотность с/см3
1
9-27
0,018-0,057
25,16
от 25 до 40% боее10 ш/м
16-24
1,84-2,04
2
7-16
0,007-0,024
0,708-0,786
15-23
1,8-1,96
3
7-18
0,012-0,035
10-20
1,80-2,0
4
7-16
0,007-0,024
0,708-0,786
15-23
1,8-1,96
5
18 т/с
Таблица 3.
№ объекта
Физико-механические свойства полученного армированного основаниия
модуль деформации, Мпа
удельноесцепление, Мпа
коэффициент фильтрации, мсутк.
коэффициент пористости
угол внутреннего трения, град.
плотность, г/см3
1
32-40
0,042-0,081
0,011-0,034
28-36
2,35-2,45
2
28-30
0,2-0,3
0,27-0,44
0,63
21-24
1,96-2,2
3
40
2,3-2,55
4
20
0,1-0,25
21-24
5
37 т\с
Как видно из таблиц, в результате возведения искусственного основания достигается значительное улучшение физико-механических свойств грунтов, которые становятся пригодными для принятия проектных нагрузок. Создается единый армированный массив с одинаковой плотностью грунтов по всей площади основания, что предотвращает неравномерную осадку здания.
При устройстве искусственного основания применяется малогабаритное, не осуществляющее вредных выбросов в атмосферу оборудование. Производство является почти безотходным. Материалы применяются только органического происхождения. Возведение искусственного основания возможно практически на всех видах грунтов: скальных и полускальных, закарстованных, несвязных (песок, гравий, галечник), насыпных и просадочных. Искусственное основание может быть использовано для любых типов фундаментов: плитных, ленточных, столбчатых. Работы возможно производить параллельно с возведением здания. Стоимость производства работ ниже стоимости устройства свайных полей на 15-20%. В процессе устройства искусственного основания происходит понижение коэффициента фильтрации на 2-3 порядка, что предотвращает замачивание основания здания, возводимого на обводненных грунтах, на протяжении всего срока его эксплуатации. При этом не требуется устройство пластовых дренажей, что дает значительную экономию.
Таким образом, в результате применения полезной модели повышается несущая способность грунтов при инженерной подготовке строительных площадок для нового строительства или для укрепления грунтов оснований существующих зданий, достигается удешевление работ, сокращаются сроки строительства зданий и сооружений.