СПОСОБ УКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТОВ ОСНОВАНИЯ ЗДАНИЙ И ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ЛИНЕЙНЫХ СООРУЖЕНИЙ НА ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ
METHOD TO REINFORCE SOILS IN BUILDING FOUNDATIONS AND EARTH BED OF LINEAR STRUCTURES ON PERMAFROST SOILS

Изобретение относится к строительству различных сооружений, преимущественно на вечномерзлых грунтах.
При строительстве на вечномерзлых грунтах в зависимости от конструктивных и технологических особенностей зданий и сооружений, инженерно-геокриологических условий и возможности целенаправленного изменения свойств грунтов основания применяется один из следующих принципов использования вечномерзлых грунтов в качестве основания сооружений.
Принцип I - вечномерзлые грунты основания используются в мерзлом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и в течение всего периода эксплуатации сооружения.
Принцип II - вечномерзлые грунты основания используются в оттаянном или оттаивающем состоянии (с их предварительным оттаиванием на расчетную глубину до начала возведения сооружения или с допущением их оттаивания в период эксплуатации сооружения).
Строительство по I принципу подразумевает обслуживание процесса сохранения мерзлоты в течение всего периода эксплуатации сооружения (эксплуатация охлаждающих установок, проветриваемых подполий и т.п.). При строительстве по II принципу эсплуатационные затраты на эти процессы исключаются.
Известны конструктивные приемы обеспечения устойчивости земляного полотна на слабом и просадочном при оттаивании основаниях посредством охлаждения пластично-мерзлых грунтов в основании зданий и сооружений с последующим сохранением проектного температурного режима грунтов (см., например, Г.Н. Максимов. «Руководство по устройству свайных фундаментов в вечномерзлых грунтах с предварительным охлаждением оснований». Москва, Стройиздат 1979, с.4, 5).
Перечисленные мероприятия требуют больших затрат на сооружение и поддержание в рабочем состоянии построенных сооружений и, как свидетельствуют опыт строительства и эксплуатации дорог, не решают полностью проблемы обеспечения устойчивости земляного полотна на грунтах 3 и 4 категорий просадочности.
Известен способ укрепления основания земляного полотна на вечномерзлых грунтах, включающий сооружение в основании под насыпью армирующих элементов (Патент РФ N 2006552, кл. E02D 17/18, 1994).
Недостатком известного способа являются большие трудозатраты и недостаточная устойчивость основания.
Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ укрепления основания земляного полотна на вечномерзлых грунтах, включающий сооружение в основании под насыпью армирующих элементов, путем бурения скважин и разрушения через пробуренные скважины сильнольдистых фрагментов с последующим удалением разрушенного льдистого грунта, а армирующие элементы сооружают путем замещения в образующихся полостях удаляемого грунта талым грунтом с требуемыми свойствами (см. Патент РФ №2074928, Кл. E02D 17/20, 1997).
В качестве основного недостатка указанного способа необходимо отметить высокую трудоемкость и длительность его осуществления, определяемые необходимостью разрушения мерзлого грунта, его извлечения и далее заполнения образовавшейся полости другим грунтом, который должен еще консолидироваться.
Изобретение направлено на снижение трудоемкости и ускорение сроков укрепления основания зданий и земляного полотна линейных сооружений на вечномерзлых грунтах как при их строительстве, так и при проведении ремонтных работ, вызванных протаиванием и просадками земляного основания.
Технический результат, получаемый при осуществлении предлагаемого способа заключается в сокращении времени сооружения укрепляющих свай и ускорении набора прочности сооруженными сваями.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе укрепления грунтов основания зданий и земляного полотна линейных сооружений на вечномерзлых грунтах, заключающемся в бурении скважин, разрушении через пробуренные скважины сильнольдистых фрагментов с последующим формированием в основании под сооружением армирующих элементов в виде свай, путем заполнения образующихся при бурении полостей грунтоцементной пульпой, формирование свай производят посредством образования грунтоцементного тела, а одновременно с бурением скважин производят нагнетание цементного раствора под высоким давлением с перемешиванием грунта. Одновременно с формированием грунтоцементного тела производят оттаивание вечномерзлого грунта путем добавления в нагнетаемый цементный раствор ускорителя набора прочности бетона для активизации гидратации и увеличения экзотермии процесса.
Целесообразно в качестве ускорителя набора прочности бетона использовать негашеную известь в количестве 10-15% и соляную кислоту в количестве 1-2%.
Предложенный способ осуществляют следующим образом.
В соответствии с разработанным проектом осуществляют бурение лидерных скважин буровым инструментом, в нижней части которого расположен монитор с соплами. После достижения проектной глубины осуществляют подъем буровых штанг с одновременной подачей цементного раствора через сопла монитора под давлением 400-500 атм и перемешиванием грунта. Эта технология обеспечивает совмещение по времени процесс укрепления грунтов основания с оттаиванием вечномерзлых грунтов. Поскольку оттаивание процесс эндотермический, а струйная цементация - экзотермический, совмещение указанных процессов позволяет сократить время на предварительное оттаивание и консолидацию грунтов и получать заранее заданные характеристики грунтов основания.
Для ускорения набора прочности бетона могут быть использованы различные ускорители набора прочности, выпускаемые разными фирмами, например ускоритель набора прочности «Реламикс» компании ОАО «Полипласт» или ускоритель твердения «Асилин» завода «Стройбетон» и др., которые добавляются в подаваемый в скважину цементный раствор.
Как показала практика, хороший результат может быть получен при применении в качестве ускорителя твердения извести-кипелки и соляной кислоты. Эффективность применения этого ускорителя твердения подтверждается нижеследующим тепловым расчетом при следующих исходных данных.
V
3
Теплота таяния (замерзания) грунта L ккал/м принимается равной количеству теплоты, необходимой для таяния льда (замерзания воды) в единице объема грунта, и определяется по формуле:
V
0
tot
w
d
L=L(w-w)P,
0
где L=93 Вт·ч/кг, 80 ккал/кг, Дж/кг - удельная теплота фазовых превращений вода - лед в расчете на единицу массы;
tot
w - суммарная влажность мерзлого грунта, доли единицы;
w
w - влажность за счет незамерзшей воды;
d
3
P - плотность сухого грунта (скелета грунта), кг/м.
Рассмотрим тепловой баланс предлагаемого процесса.
tot
Грунт основания представлен суглинком, суммарная влажность грунта W=0,3 д.е.;
w
d
3
Влажность за счет незамерзшей воды w=0,08 д.е., плотность сухого грунта P=1400 кг/м.
Определим теплоту таяния грунта (затраты на фазовые переходы) по формуле:
V
0
tot
w
d
3
L=L(w-w)P=93×(0,3-0,08)×1400=28644 Вт.ч/м=103118400 джоулей
Выделение тепла 1 кг различных веществ, ккал
Гидролиз и гидратация цемента марки М400
30
В течении 3-х дней
Гидратация извести
276
В течении нескольких часов
3
Стандартный расход цемента на 1 м грунтоцементного тела - 450 кг.
Количество тепла, выделяющегося при гидратации 450 кг, составляет 450×30=13500 ккал = 13500000 кал = 56521800 джоулей, что явно недостаточно для оттаивания грунта. Более того, замедляется или даже останавливается схватывание грунтоцемента, т.к. часть не успевшей вступить в реакцию воды перейдет в кристаллическое состояние.
Добавка 15% от массы цемента извести-кипелки в цементный раствор позволит получить дополнительно 450×0,15×276=18630 ккал - 18630000 кал = 78000084 джоуля.
Тепловой баланс процесса становится положительным:
56521800+78000084-103118400=31403484 джоуля
Грунт будет оттаян и процесс схватывания грунтоцемента активизируется. Вынос части тепла с пульпой может компенсироваться увеличением % добавки извести-кипелки. В каждом конкретном случае эти соотношения уточняются опытным бурением.
Экспериментально установлено, что наиболее целесообразно добавлять в цементный раствор известь-кипелку в количестве 10-15%, а соляную кислоту соответственно в количестве 1-2%.