СПОСОБ УПЛОТНЕНИЯ СВЯЗНЫХ ДИСПЕРСНЫХ ГРУНТОВ
METHOD TO COMPACT COHESIVE DISPERSED SOILS

Изобретение относится к области строительства, а именно к способам уплотнения связных дисперсных грунтов в основании зданий и сооружений.
Известен способ улучшения массива лессового просадочного грунта в основании зданий и сооружений, включающий образование скважин с установкой инъекторов, нагнетание в грунт улучшающего раствора с замачиванием и уплотнением массива. При этом после введения улучшающего раствора в грунт производят нагнетание в него твердеющего материала в виде цементно-песчаного раствора, причем нагнетание улучшающего раствора ведут с гидроразрывом грунта, а в качестве улучшающего раствора используют пульпу из улучшаемого грунта с содержанием его 15-30% (А.С. №1294910, кл. E02D 3/12. Способ улучшения массива лессового просадочного грунта в основании зданий и сооружений, 1987).
Недостатком данного способа является его многостадийность и трудоемкость, так как предварительное замачивание и последующее уплотнение массива производится разными, отдельно приготовленными, растворами в две стадии. При этом использование в качестве уплотняющего раствора 15-30% пульпы, со значительным содержанием глинистых частиц, снижает эффективность уплотнения грунта, так как пульпа образует высоковлажные ослабленные зоны и слабо уплотняет массив, а последующее нагнетание тведеющего песчано-цементного раствора приводит к уплотнению, собственно, самой пульпы и промоченной ею зоны, не затрагивая большей части остального массива лессового грунта. По этой же причине насыщение массива данной пульпой при высыхании может давать объемную усадку.
Наиболее близким является способ уплотнения связных дисперсных грунтов в основании зданий и сооружений, включающий подачу твердеющего раствора в виде песчано-цементной смеси с пластификатором, при соответствующем давлении, через расположенные с определенным шагом инъекторы, погружаемые на глубину активной зоны поэтапно (Патент РФ №2059044, МПК E02D 3/12. Способ способ уплотнения связных дисперсных грунтов, 1996). Данный способ позволяет уменьшить трудоемкость работ по уплотнению грунта, так как процесс уплотнения происходит в одну стадию при использовании одного твердеющего раствора и повысить несущую способность массива, так как твердеющий раствор представляет песчано-цементную смесь, которая при высыхании образует жесткий каркас, препятствующий усадке.
Недостаток данного способа заключается в том, что песчано-цементная смесь более высокой марки, например М-200, имеет большую стоимость, так как содержит большее количество цемента, к тому же увеличение количества цемента в растворе способствует преждевременной седиментации, снижает проникающую способность твердеющего раствора и предопределяет увеличение энергоемкости процесса за счет необходимости высоких давлений нагнетания до 10 атм и более, что в свою очередь приводит, с одной стороны, к неконтролируемому росту протяженности трещин гидроразрыва, а с другой стороны, к и их неполному заполнению в области микротрещин (волосных), обуславливающих образование деконсолидированных (ослабленных) зон. При этом использование в твердеющем растворе дорогостоящих химически активных пластификаторов также не является оптимальным, так как при определении количества пластификатора не учитывается количество естественного пластификатора-глины, содержащейся в песке, применяемом для приготовления твердеющего раствора. При недостаточном количестве пластификатора растворы будут иметь низкую проникающую способность со всеми вытекающими отсюда последствиями, а при высоком содержании пластификатора будет наблюдаться снижение прочностных свойств уплотненного массива.
Техническая задача изобретения состоит в разработке эффективного способа уплотнения грунта, обеспечивающего использование твердеющего раствора с рациональным количеством естественного пластификатора - глины, обеспечивающего высокую проникающую способность и прочность уплотняемого массива; снижение энергоемкости и сроков выполнения работ по уплотнению за счет четкого соблюдения рациональных технологических параметров (давление, скорость и шаг инъектирования).
3
Это достигается тем, что в известном способе уплотнения связных дисперсных грунтов в основании зданий и сооружений, включающем подачу твердеющего раствора в виде песчано-цементной смеси с пластификатором, содержащим глину, при соответствующем давлении, через расположенные с определенным шагом инъекторы, погружаемые на глубину активной зоны поэтапно, потребное количество глины в твердеющем растворе доводят до 8-10%, при этом определение потребного количества глины в твердеющем растворе производят с учетом количества глинистых частиц, находящихся в песке, используемом для приготовления твердеющего раствора. Причем твердеющий раствор подают через инъекторы, расположенные с шагом 0,75-1,5 м при постоянном давлении 5-9 атм и скорости нагнетания 1-2 м/час. Кроме того, в качестве твердеющего раствора используют песчано-цементную смесь марки 100.
На чертеже показан элемент уплотняемого массива связного дисперсного грунта (в плане).
Способ осуществляется следующим образом. При производстве работ используется песчано-цементный твердеющий раствор с соотношением цемент:песок 1:2,5. Один кубический метр приготовленного раствора содержит 400 кг цемента, 1000 кг песка и 350-450 л воды, что соответствует марке раствора не ниже марки 100. Для придания пластичности в данный состав твердеющего раствора необходимо добавить 10% пластификатора-глины (для других грунтов и растворов количество глины может быть менее 10%), т.е. 185 кг. С учетом того, что 1000 кг природного песка уже содержит 9,3% глинистых частиц (например, по ГОСТ 8736-93),что составляет 93 кг, фактически для получения качественного твердеющего раствора необходимо добавить меньшее количество пластификатора, а именно 185-93=92 кг, т.е. практически в 2 раза. При этом в качестве пластификатора используют обычную недорогую глину, не относящуюся к дорогостоящей бентонитовой, так как последняя, в отличие от всех известных глин, имеет свойство значительно увеличиваться в объеме (до 20 раз) и при высыхании уплотненного массива давать объемную усадку. Приготовленный таким образом твердеющий песчано-цементный раствор с расчетным количеством недорогого естественного пластификатора-глины обладает высокой избирательной способностью, он не прессует шланги, подающие раствор к инъекторам 1 и достаточно легко распространяется в грунтовом массиве по существующим и искусственно созданным трещинам и макропорам, образует жесткий каркас 2, с оконтуривающей оболочкой 3 небольшой толщины, препятствующей водоотделению из раствора воды, что придает раствору стабильные свойства, предотвращает оседание песка и отфильтровывание цемента. При этом внутри жесткого каркаса 2 между бетонными жилами и более мелкими прожилками (не показаны) образуются достаточно хорошо изолированные посредством глинистой оболочки (глинистого замка) 3 блоки 4 уплотненного грунта, что уменьшает его просадочные свойства. Кроме того, наличие рационального количества глины в твердеющем растворе позволяет придать последнему пластичность и при затвердении реагировать на возможную деформацию уплотненных грунтов без разрыва сплошности.
На участке строительства здания или сооружения с поверхности земли под всей площадью здания по сетке погружают инъекторы на глубину активной зоны здания поэтапно. Сетка имеет равномерный шаг 0,75-1,5 м. Величина шага для данного способа обусловлена плотностью грунта, технологией подачи твердеющего раствора. Так, чем выше плотность, тем меньше будет шаг инъектирования из указанного диапазона.
3
3
Через погружаемые поэтапно инъекторы производят нагнетание твердеющего раствора (песчано-цементный раствор марки М-100). Величина давления нагнетания твердеющего песчано-цементного раствора находится в пределах 5-9 атм и в грунтах разной плотности и влажности регулируется скоростью подачи. При нагнетании твердеющего раствора в слабые грунты при постоянном давлении 5-9 атм скорость нагнетания составляет 2 м /час, а нагнетание раствора в более плотные грунты с недостаточной степенью влагонасыщения, при том же давлении, осуществляется с меньшей скоростью 1 м/час, что и обуславливает предварительное насыщение пограничных грунтов влагой, улучшая их пластичность. При таком соотношении давления и скорости подачи предложенный твердеющий раствор с рациональным количеством пластификатора будет обладать всеми вышеперечисленными положительными свойствами и создавать после отвердения песчано-цементной смеси в уплотненном массиве жесткий каркас, пронизывающий весь уплотняемый массив.
d
3
В качестве примеров выполнения данного способа рассмотрим опытные работы по уплотнению дисперсных грунтов региона с плотностью скелета ρ=1,30…1,60 г/см.
3
Пример 1. В массив слабого грунта на первом контрольном участке через четыре инъектора, размещенных по сетке 2×2 м, нагнетали твердеющий песчано-цементный раствор марки 100 под давлением 5-9 атм со скоростью 2 м/час. В результате образования жесткого каркаса модуль деформации по результатам штамповых испытаний составил 16 МПа. А при уменьшении шага инъектирования до 1,5×1,5 м на этом же участке (за пределами уплотненной зоны) модуль деформации составил 20 МПа, что близко к расчетному.
3
Пример 2. В массив плотного грунта на втором контрольном участке через четыре инъектора, размещенных по сетке 1,5х1,5 м, нагнетали твердеющий песчано-цементный раствор марки 100 под давлением 5-9 атм со скоростью 1 м/час. В результате образования жесткого каркаса модуль деформации по результатам штамповых испытаний составил 18 МПа. А при уменьшении шага инъектирования до 0,75×0,75 м на этом же участке (за пределами уплотненной зоны) модуль деформации составил 22 МПа, что соответствовало расчетному значению.
Пример 3. На контрольном участке строительства после уплотнения массива лессового просадочного грунта путем инъектирования через четыре инъектора твердеющего песчано-цементного раствора марки 100 с содержанием глины 5% при давлении 5-9 атм произвели отбор и обследование монолитов. В результате было обнаружено, что вблизи инъекторов, на расстоянии не более 1,5 м, располагаются в основном крупные бетонные тела (0,5-0,7 м в поперечнике), на конце которых размещались либо неизмененные, либо слабоуплотненные (разуплотненные) грунты. При этом после инъектирования твердеющего песчано-цементного раствора марки 100 с содержанием глины 15% бетонные тела вытягивались до 2,5-3 м и имели отходящие в стороны прожилки и игольчатые тела, представляющие собой заполненные раствором макропоры. Вместе с тем модуль деформации отобранных монолитов был гораздо ниже расчетного (22 МПа). И только при доведении количества глины в твердеющем песчано-цементном растворе марки 100 до 10% удалось получить модуль деформации грунта, соответствующий расчетному. При этом протяженность крупных бетонных тел несколько уменьшилась и составляла 2-2,5 м, что в конечном итоге положительно отразилось на результате уплотнения массива, так как увеличилась насыщенность закрепляемого грунта жилами и прожилками бетона, которая и предопределила увеличение прочности уплотненного грунта.
Предложенный способ уплотнения связных дисперсных грунтов указанного диапазона позволяет повысить эффективность работ за счет подбора рационального состава песчано-цементного раствора с глинистым пластификатором и четкого соблюдения рациональных технологических параметров (давление, скорость и шаг инъектирования).