СПОСОБ ВАКУУМНОГО УПЛОТНЕНИЯ ОСНОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ
METHOD OF VACUUM SEALING OF BASE OF BUILDING STRUCTURE

Изобретение относится к области строительства и предназначено для уплотнения грунтов при возведении зданий и сооружений.
Изобретение используется для подготовки обладающего необходимой несущей способностью основания под фундамент строительных конструкций, возводимых на несвязных грунтах, имеющих мелкодисперсную структуру,  в том числе на  ледо- и снежно-фирновых грунтах.
Определение терминов.
ГРУНТ: Любые горные породы, почвы, осадки и техногенные образования, рассматриваемые как многокомпонентные динамичные системы и как часть геологической среды и изучаемые в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью человека (ГОСТ 25100-2011: Грунты. Классификация, п. 3.8)
ДИСПЕРСНЫЙ ГРУНТ: Грунт, состоящий из совокупности твердых частиц, зерен, обломков и др. элементов, между которыми есть физические, физико-химические или механические структурные связи (ГОСТ 25100-2011: Грунты. Классификация, п. 3.9).
СТРУКТУРА ГРУНТА: Пространственная организация, определяемая размером, формой, характером поверхности, количественным соотношением структурных элементов грунта и характером связи между ними (ГОСТ 25100-2011: Грунты. Классификация, п.3.39)
ЛЕДОГРУНТ: Грунт, содержащий в своем составе более 90 % льда (ГОСТ 25100-2011: Грунты. Классификация, п. 3.16)
НЕСВЯЗНЫЙ ГРУНТ: Дисперсный грунт, обладающий механическими структурными связями и сыпучестью в сухом состоянии (ГОСТ 25100-2011: Грунты. Классификация, п. 3.23.)
ФИРН - ледяная порода плотностью от 450 до 800 кг/м³, состоящая из взаимосвязанных ледяных зёрен. Представляет собой переходную стадию между снегом и ледниковым льдом, образуется в горных областях, расположенных выше снеговой линии, и в полярных странах, где атм. осадки выпадают преимущественно в виде снега и за лето не успевают растаять. Снег превращается в фирн под действием солнечной радиации, оттепелей, в результате перекристаллизации и сублимации водяного пара. Различают фирны инфильтрационный, возникающий при повторном замерзании воды в снеге, сопровождающемся оседанием и перекристаллизацией; режеляционный, формирующийся вследствие округления, собирательной перекристаллизации и оседания снега; рекристаллизационный, образующийся в результате метаморфизма снега без участия жидкой воды. Первый обычно встречается в фирновых бас. горных ледников (до глуб. 20–30 м), второй и третий – в верхних горизонтах ледниковых покровов (в Антарктиде толщина фирна достигает 100 м). По величине зёрен выделяют мелкозернистый (менее 1 мм), среднезернистый (1–3 мм) и крупнозернистый (более 3 мм) фирн (География. Современная иллюстрированная энциклопедия. — М.: Росмэн. Под редакцией проф. А. П. Горкина. 2006).
СНЕГ —вид атмосферных осадков, состоящий из замерзших водяных паров, образующих ледяные кристаллы (Научно-технический энциклопедический словарь https://dic.academic.ru/dic.)
ЛЁД (а. ice; н. Eis; ф. glace; и. hielo) — вода в твёрдом состоянии. Лед встречается в природе в виде собственно льда (материкового, плавающего, подземного и др.), а также в виде снега, инея и т.д.  ЛЕД — низкотемпературная мономинеральная горная порода, слагаемая наиболее лёгким минералом. В условиях Земли он находится в состоянии, близком к фазовому переходу его в воду  (Горная энциклопедия. http://mining-enc.ru/l/led/).
Известны различные способы укрепления основания строящихся зданий и сооружений путем уплотнения грунта.
Известен способ динамического уплотнения грунта, включающий использование больших грузов, обычно от 10 до 100 тонн, падающих с высоты в основном 10-40 метров. Расположение точек удара на грунте и других параметров обработки (значений энергии, фазы, периодов отсутствия воздействия) зависит от характеристик обрабатываемой почвы и, возможно, от результатов измерений, полученных в зоне испытаний. Эти параметры определяют заранее на основе требуемых характеристик грунта (патент РФ № 2344 228 на изобретение «СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИНАМИЧЕСКОГО УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТА», МПК E02D 3/02, опубл. 20.02.2008). Известный способ характеризуется трудоемкостью и требует наличия большегрузной техники. Использование известного способа затруднительно для уплотнения замерзших грунтов и ледогрунтов, в том числе снежно-фирновых в удаленных и труднодоступных местах.
Известен способ уплотнения грунта, включающий погружение в грунт вибрирующего приспособления, выдержку указанного приспособления на данной глубине и периодическое, по мере подъема, повторное опускание его при непрерывной работе вибратора. (В.М. Зубков и др. «Способ глубинного виброуплотнения песчаных оснований». Основания, фундаменты и механика грунтов. №2, 1983, М.: Стройиздат,  патент РФ № 2236503 на изобретение «СПОСОБ УПЛОТНЕНИЯ ПЕСЧАНОЙ ИЛИ ГРУНТОВОЙ ПОДСЫПКИ В ЗИМНЕЕ ВРЕМЯ», МПК E02D 3/02, E02D 3/046, опубл. 20.09.2004). Недостатками известного способа является неравномерная плотность грунта по глубине после уплотнения. Применение данного способа также затруднительно для ледогрунтов, в том числе снежно-фирновых.
Известен способ повышения прочности грунта путем его уплотнения, включающий погружение в грунт инъекторов, подачу через инъектор текучего цементного материала под давлением, измерение и регистрацию давления раствора, образование зоны упрочненного грунта и последующие погружения инъектора с образованием примыкающих зон упрочненного грунта; во время погружения инъектора определяют прочность грунта и при величине прочности менее допустимой осуществляют подачу текучего цементного материала под давлением, превышающим допустимую прочность грунта (патент СССР № 1114348, МКП E02D3/12, опубл. 15.09.84). Известный способ характеризуется сложностью и высокими трудо- и энергозатратами и, практически, неприменим для снежно-фирновых грунтов.
Общими недостатками, присущими вышеперечисленным способам уплотнения грунта, являются: длительная продолжительность уплотнения грунта, потребность в инертном материале пригрузочной насыпи и риск потери устойчивости основания в процессе предпостроечного уплотнения. Кроме того, использование известных методов имеет ограниченные возможности в высокогорных или высокоширотных регионах  со стабильно низкими температурами воздуха, при которых снег не достигает температуры таяния или близкой к ней.
Известна наиболее близкая к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков и выбранная в качестве прототипа технология вакуумного уплотнения основания строительной конструкции  (Menard Vacuum TM), разработанная компанией «Menard» (Франция). Технология вакуумного уплотнения основания строительной конструкции  (вакуумирования грунта) состоит из следующих этапов:
- устройство вертикальных  и горизонтальных дрен;
- размещение непроницаемой геомембраны поверх участка вакуумирования;
- герметичное закрепление мембраны в периметральных траншеях. Для этих же целей может быть выполнена грунтобентонитовая стена, если откопка требуется на значительную глубину;
- создание отрицательного давления в массиве грунта под герметичной мембраной посредством подключения к насосной станции;.
- проведение мониторинга уплотнения основания.
Технология вакуумного уплотнения позволяет значительно уменьшить или исключить потребность в пригрузочной насыпи и обеспечить соблюдение хорошей управляемости процесса консолидации, а соответственно, более точную прогнозируемость величин осадок. Основными преимуществами технологии вакуумного уплотнения являются: сокращение срока консолидации основания (по сравнению с классическим вертикальным дренажом);  существенное снижение потребности в инертном материале пригрузочной насыпи; устранение риска потери устойчивости основания в процессе предпостроечной консолидации.  Вакуумное уплотнение обеспечивает ускорение и срабатывание фильтрационной консолидации (первичная фильтрационная осадка) до начала эксплуатации сооружений, устойчивость основания и ограничение вторичной консолидации (ползучести скелета) до допустимых значений. (Н.В. Романов, Ж. Расинэ «Обзор современных методов усиления и стабилизации слабых оснований» Вестник МГСУ Том 13 Выпуск 4 (115) С. 499–513); http://www.menard-russia.ru/technology/vacuum-seal/). Известный способ может использоваться для мелкодисперсных грунтов, в том числе снежно-фирновых грунтов в регионах со стабильно низким температурами воздуха. Вместе с тем, известная технология требует значительных  энерго- и трудозатрат, связанных с  устройством вертикальных  и горизонтальных дрен; периметральных траншей и  обеспечением герметичного закрепления  геомембраны по периметру вакуумируемого участка . Наиболее значнительные энергозатраты связаны с отсутствием нижней воздухонепроницаемой геомембраны.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является повышение эффективности технологии вакуумного уплотнения основания строительной конструкции применительно к несвязным грунтам, в частности, мелкодисперсным и снежно-фирновым.
Технический результат, достигаемый в результате решения поставленной задачи, заключается в снижении энерго- и трудозатрат на подготовку основания под фундамент строительной конструкции методом вакуумного уплотнения.
Указанный технический результат достигается тем, что способ вакуумного уплотнения основания строительной конструкции включает: обустройство котлована в месте установки опоры строительной конструкции путем выемки грунта; размещение в полости котлована непроницаемой геомембраны с образованием герметичной емкости; заполнение емкости несвязным грунтом; создание отрицательного давления в массиве несвязного грунта внутри герметичной емкости посредством ее подключения к насосной станции.
Предпочтительно, чтобы котлован был обустроен с площадью,  на 10 —20% превышающей площадь опоры строительной конструкции.
Предпочтительно, чтобы в качестве насосной станции был использован вакуумный  насос.
Предпочтительно, чтобы в процессе уплотнения осуществлялся мониторинг параметров уплотнения грунта.
Предпочтительно, чтобы в качестве несвязного грунта был использован мелкодисперсный грунт, или ледогрунт, или снежно- фирновый  грунт.
Сопоставительный анализ заявляемого изобретения с прототипом показал, что во всех случаях исполнения, оно отличается от известного, наиболее близкого технического решения:
- обустройством котлована в месте установки опоры строительной конструкции путем выемки грунта;
- размещением непроницаемой геомембраны в полости котлована с образованием герметичной емкости;
- заполнением емкости несвязным грунтом;
- подключением герметичной емкости к насосной станции.
В предпочтительных случаях исполнения изобретение отличается от известного, наиболее близкого технического решения:
- обустройством котлована с площадью, на 10 — 20% превышающей площадь опоры строительной конструкции;
- использованием вакуумного  насоса в качестве насосной станции;
- использованием качестве несвязного грунта мелкодисперсного грунта, или ледогрунта, или снежно- фирнового  грунта.
Обустройство котлована в месте установки опоры строительной конструкции путем выемки грунта; размещение в полости котлована непроницаемой геомембраны с образованием герметичной емкости; заполнение емкости несвязным грунтом; создание отрицательного давления в массиве несвязного грунта внутри герметичной емкости посредством ее подключения к насосной станции позволяет  уплотнить несвязный, в том числе, мелкодисперсный и снежно-фирновый грунт до необходимой величины. При этом отсутствует необходимость размещения геомембраны на  больших площадях, установки дрен и периметральных траншей, что значительно сокращает материало- и трудо- затраты,  позволяя использовать заявляемый способ при строительстве зданий и сооружений в труднодоступных высокогорных районах и районах с низкими температурами.
Способ вакуумного уплотнения основания строительной конструкции включает обустройство котлована в месте установки опоры строительной конструкции путем выемки несвязного грунта  (мелкодисперсного, снежно-фирнового и пр.). Площадь обустраиваемого котлована должна на 10—20% превышать площадь опоры строительной конструкции.  В полости котлована  размещают непроницаемую геомембрану, например, геотекстильную  ткань, с образованием герметичной емкости, например, в виде мешка из геотекстильной ткани.  Емкость заполняют  несвязным грунтом,  на ёмкости  монтируется  патрубок с клапаном,  герметизированный  хомутами. После чего в массиве несвязного грунта  внутри герметичной емкости создают отрицательное давление посредством подключения емкости к насосной станции, в качестве которой может быть использован вакуумный насос. В качестве средства подключения вакуумного насоса  к герметичной емкости  может быть использован шланг.
Изобретение работает следующим образом.
При подключении герметичной емкости  с несвязным грунтом к насосной станции, создается отрицательное давление, эквивалентное нагрузке 70…80 кПа, что соответствует давлению от насыпи высотой 3…4 м. Между зернистой структурной обрабатываемого грунта, локализованного внутри герметичной емкости, с помощью вакуумного насоса удаляют влагу и воздух, что приводит к уплотнению грунта. Количество точек подключения вакуумного насоса к герметичной емкости определяется габаритами герметичной емкости. В процессе вакуумирования осуществляют мониторинг параметров уплотнения грунта, в том числе, с использованием вакуумметров, тензометров, инклинометров, поверхностных и глубинных осадочных марок и других средств измерения и контроля, обеспечивая управление процессом уплотнения.
Изобретение может быть использовано в высокогорных или высокоширотных регионах с повышенной солнечной радиацией, высокой отражающей способностью окружающего снежного покрова и стабильно низким температурами воздуха, при которых снег не достигает температуры таяния или близкой к ней.