СПОСОБ ГЛУБИННОГО КОМПЕНСАЦИОННОГО УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТА
METHOD FOR DEPTH COMPENSATION COMPACTION OF SOIL

Изобретение относится к области строительства, а именно к разработке котлованов и проходке тоннелей в условиях плотной застройки.
Известен способ предварительного «вывешивания» на сваях зданий, попадающих в зону влияния работ при строительстве котлована (Богов С.Г. Использование геотехнологий для усиления оснований и фундаментов зданий. / Реконструкция городов и геотехническое строительство. 2005, №9, с.229-235).
Это способ надежен, хотя весьма трудоемок и дорог, а кроме того, требует доступа к охраняемому сооружению для устройства свай, что не всегда возможно (Аббасов П.А., Бахолдин Б.В., Гончаров Б.В., Ильичев В.А., Трофименков Ю.Г., Ухов С.Б., Федоров В.И. Свайные фундаменты, ВНИИОСП, ДальНИИС, под ред. Ильичева В.А., М.: Стройиздат, 1991, 96 с.).
Известен способ устройства противодеформационного барьера, когда между котлованом и охраняемым объектом устраивают стенку из свайных элементов: шпунта, труб и т.п., погружаемых в пробуренные скважины, заполненные твердеющим материалом.
Этот способ не требует доступа к фундаментам охраняемого сооружения.
Однако для погружения свайных элементов (труб) с минимальным влиянием на рядом стоящие здания необходимо пробурить скважины диаметром, превышающим диаметр трубы. Известно, что при бурении скважин для устройства свай, даже по технологии непрерывного шнека (CFA), считающейся щадящей для окружающей застройки, происходит ухудшение прочностных и деформационных свойств грунтов основания, особенно слабоустойчивых. Это обстоятельство многократно фиксировалось путем пенетрации (зондирования) до и после устройства скважин (Богов С.Г. Проблемы устройства свайных оснований в городской застройке в условиях слабых грунтов Санкт-Петербурга. Реконструкция городов и геотехническое строительство. 2004, №8, с.119-128). Поэтому охраняемому зданию может быть нанесен непоправимый ущерб уже при устройстве такого противодеформационного барьера.
7
Известен способ создания геотехнического барьера между фундаментом существующего здания и возводимым подземным объектом. Для создания геотехнического барьера на пути распространения волны изменения напряженно-деформированного состояния грунта, в грунте, на глубину заглубления подземного объекта, образуют щель, в которую помещают плоскую пневмокамеру и закачивают в нее сжатый воздух до получения давления, соответствующего начальному напряженно-деформированному состоянию грунта. При изменении напряженно-деформированного состояния грунта производят подкачку сжатого воздуха до восстановления начального напряженно-деформированного состояния грунта. После возведения подземного сооружения в пневмокамеру подают твердеющий раствор (патент РФ №2245428, МПК E02D 31/08; 31/10, опубликовано 27.01.2005, БИ №3).
Этот способ не требует доступа к фундаментам охраняемого здания.
Однако создание геотехнического барьера по такому способу весьма трудоемко, требует иметь на строительной площадке большой парк дорогостоящих приборов, датчиков и т.п. оборудования, контролирующих изменения напряженно-деформированного состояния грунта. Давление сжатого воздуха в пневмокамере одинаковое по всей глубине ее заглубления в грунт, а давление грунта возрастает с глубиной, поэтому пневмокамера будет сжата давлением грунта на глубине и не сможет компенсировать возникшее там разуплотнение. В тоже время давление сжатого воздуха в верхней зоне будет создавать избыточное по сравнению с нижней горизонтальное давление на конструкцию ограждения котлована, что негативно отражается на ее устойчивости. Необходимо применять сложные многосекционные пневмокамеры, каждая отдельная секция которой должна иметь отдельный канал подачи воздуха, сжатого до давления, соответствующего бытовому давлению окружающего данную секцию грунта на глубине установки этой секции. Кроме того, на каждом объекте остается в грунте большое количество дорогостоящих пневмокамер.
Известен способ защиты существующих зданий и сооружений, попадающих в зону влияния работ при строительстве подземного сооружения, включающий создание ограждающих конструкций, при возведении которых в них устанавливают инъекторы со стороны существующих зданий и сооружений. Инъецирование закрепляющего раствора в грунт осуществляют в направлении существующего здания как перед экскавацией грунта из котлована, так и в процессе экскавации (патент РФ №2328577, МПК E02D 31/08, от 5.09.06, опубликовано 10.07.2008, БИ №19).
Этот способ также не требует доступа к фундаментам охраняемого здания.
Однако создание геотехнического барьера по такому способу весьма трудоемко, требует персонал весьма высокой квалификации, а для предварительного моделирования изменения напряженно-деформированного состояния грунтового массива в результате статических и технологических воздействий при устройстве котлована СТО 36554501-007-2006 (Проектирование и устройство вертикального или наклонного геотехнического барьера методом компенсационного нагнетания) требует обязательного проведения опытных работ на объекте. Только по результатам опытных работ можно назначить число инъекторов, их длину и положение перфорированного участка инъектора, состав раствора, давление нагнетания, объем нагнетаемого раствора, радиус закрепления и характеристики грунта. При нагнетании закрепляющего раствора для разрушения защитного слоя бетона в ограждающей конструкции, когда величина защитного слоя и прочность бетона в ограждающей конструкции невозможно предсказать, разрыв происходит в одном самом слабом месте, и выполненное предварительное моделирование практически никогда не совпадает с реальным положением. Для реализации этого способа необходимо использовать сложное оборудование. При каждой серии нагнетания закрепляющего раствора, в дополнение к бытовому давлению, создается избыточное давление, действующее согласно закону Паскаля во всех направлениях одинаково. Поэтому на конструкцию ограждения котлована, например стену в грунте, будет действовать дополнительное горизонтальное давление, что потребует устройства более материалоемкой ограждающей конструкции (увеличения ее поперечного сечения и армирования), заведомо создавая завышенный запас прочности этих и без того дорогостоящих конструкций.
7
Наиболее близким является известный способ создания геотехнического барьера между фундаментом существующего здания и возводимым подземным сооружением методом компенсационного нагнетания. По этому способу вдоль строящегося сооружения со стороны охраняемого здания погружают ряд вертикальных инъекторов на пути распространения волны изменения напряженно-деформированного состояния грунта. Производят закачивание цементного раствора, пока не будет достигнут коэффициент релаксации ≥0,5, т.е. отношение конечного давления в грунте после релаксации к максимальному давлению нагнетаемого раствора. В процессе возведения стен подземного сооружения ведут контроль напряженно-деформированного состояния грунта, при изменении которого производят дополнительную закачку цементного раствора до восстановления напряженно-деформированного состояния грунта (патент РФ №2245966, МПК E02D 31/08, 31/10; от 07.08.02, опубликовано 10.02.2005, БИ №4). В развитие изобретения авторы разработали руководящий документ (СТО 36554501-007-2006 Проектирование и устройство вертикального или наклонного геотехнического барьера методом компенсационного нагнетания. - М.: ФГУП "НИЦ "Строительство", 2006, - с.21), выпущенный НИИОСП им. Н.М.Герсеванова. Согласно этому СТО (п. 4.23) давление нагнетания на первом этапе предлагается поддерживать на уровне 0,3…0,5 МПа, на втором и последующих этапах - 4…5 МПа. Закачивание цементного раствора проводят по манжетной технологии методом многоразовой инъекции в 2 очереди, первоначально обрабатывают все инъекторы нечетного ряда, затем четного. Инъектор представляет собой трубу с отверстиями, расположенными с шагом по высоте 0,3 м, снабженными обратными клапанами, не позволяющими попадать в инъектор грунтовых вод и раствора при цементации смежных уровней. Внутрь инъектора введен подвижный пакер, выполненный в виде трубы с отверстиями и двумя манжетами, выше и ниже этих отверстий. При длине пакера 0,5 м единовременно инъектируется зона 0,3 м, затем пакер перемещают вниз вдоль инъектора на 0,3 м и операция инъектирования повторяется. Для промывки скважины после инъекции при каждом положении пакера в скважину закачивается 5 литров воды. Рекомендуется принимать водоцементное отношение нагнетаемого раствора в пределах 0,81…2.
Это способ также не требует доступа к охраняемому сооружению, весьма тщательно проработан в деталях.
2
2
2
Однако создание геотехнического барьера таким способом требует весьма высокой квалификации персонала, оснащения сложным измерительным инструментарием для контроля изменения напряженно-деформированного состояния грунта. При нагнетании цементного раствора под давлением 0,3…0,5 МПа уже на первом этапе заполнительной цементации создается горизонтальное давление 30…50 т/м в дополнение к бытовому давлению, действующему на конструкцию ограждения котлована. На втором и последующих этапах инъектирования (стадиях компенсационного нагнетания) избыточное давление может достигать 4…5 МПа (СТО 36554501-007-2006 Проектирование и устройство вертикального или наклонного геотехнического барьера методом компенсационного нагнетания, М., 2006, ФГУП "НИЦ "Строительство", п.3.19, с.21). Это СТО разработано в развитие способа устройства геотехнического барьера, защищенного патентом РФ №2245966. Давление 4-5 МПа (400…500 т/м), действующее согласно закону Паскаля, во всех направлениях одинаково (в том числе, горизонтальном), не выдержит никакая конструкция ограждения котлована, даже стена в грунте. Проведение инъекции в 2 очереди: первоначально всех нечетного, затем четного рядов, не спасает положение, так как давление действует примерно одинаково во всех инъекторах всего ряда и создает по всей длине, по крайней мере с одной стороны котлована, огромное боковое давление (400…500 т/м). Конструкция стены в грунте потребует значительного увеличения ее поперечного сечения, а значит и повышенного расхода материалов (арматуры и бетона), увеличения стоимости и усложнения конструкций крепления: распорок, раскосов, подкосов, анкеров. Высокое водоцементное отношения раствора и высокое статическое давление при нагнетании приводят к разрыву пластов грунта и распространению в эти разрывы закачиваемого раствора. Это приводит к разрушению массива связного грунта на отдельные блоки и ухудшению расчетных характеристик грунта на длительный период - до набора минимальной прочности цементным раствором. После прекращения подачи раствора, за счет малого содержания в растворе твердых частиц и большого содержания воды, СТО 36554501-007-2006 рекомендует для цементации В:Ц=0,81…2, твердые частицы оседают, а свободная вода фильтрует в грунт. Известно, что для протекания химических реакций в цементном растворе достаточно В:Ц=0,15…0,17, остальная вода, технологическая, требуется для обеспечения цементному раствору необходимых реологических свойств, перекачивания, протекания через отверстия в инъекторах, проникания между частицами грунта при цементации. Кроме воды, содержащейся в цементном растворе, в каждый инъектор для его промывки при каждом положении пакера, т.е. с шагом 0,3 м, в скважину нагнетается еще по 5 литров воды. Избыточная, не связанная вода, в первые минуты находящаяся под избыточным давлением, а затем под гидростатическим, фильтрует в более удаленные участки массива и в грунте остаются полости, заполняемые газом. Введение в раствор до 10% бентонита от массы цемента уменьшает водоотделение, но резко увеличивает сроки набора прочности цементным раствором. Прочность цементной корочки, покрывающей частицы грунта вокруг такой полости, непредсказуема. Создание в грунте площадей разрыва, заполненных (смазанных) цементо-бентонитовым раствором, на время до его затвердевания не просто снижает до нуля сцепление, а создает в грунте дополнительные площадки скольжения с отличной смазкой, вблизи глубокого котлована может спровоцировать его обрушение.
Известно, что при бурении скважины большого диаметра даже при креплении стенок скважины обсадными трубами, а тем более при разработке грунта в глубокой траншее, стенки которой от обрушения удерживаются бентонитовым раствором, происходит разуплотнение прилегающего грунта. Использование специальных буровых растворов с утяжелителями, сложными и дорогостоящими добавками, позволяет снизить степень разуплотнения прилегающего грунта, однако, не может полностью его исключить, поэтому разуплотнение грунта неизбежно. Особенно опасно развитие разуплотнения грунта при устройстве стены в грунте вблизи охраняемых объектов (памятников архитектуры, ответственных сооружений и т.п.). Развитие разуплотнения грунта начинается от места производства работ (от пробуренной скважины, от вырытой траншеи для бетонирования очередной захватки стены в грунте) и постепенно распространяется на все большее расстояние. По глубине и ширине захватки степень разуплотнения так же различается и зависит от физико-механических характеристик грунта и его генезиса. Заполнение скважины или траншеи, выполненной для устройства стены в грунте, бетонной смесью приостанавливает развитие дальнейшего разуплотнения, но не может вернуть грунт в исходное состояние.
Разуплотнение грунта происходит так же при строительстве тоннелей, даже с обделкой, обжимаемой при ее монтаже в грунт.
Задачей настоящего изобретения является повышение надежности, качества и технологичности способа глубинного закрепления грунта, снижение трудоемкости обеспечения сохранности охраняемых зданий, расположенных в зоне влияния работ по устройству глубокого котлована, при минимальном расходе ресурсов и максимально возможном использовании свойств массива грунта.
Поставленная цель достигается следующим образом.
Со стороны сохраняемого сооружения осуществляют глубинное компенсационное уплотнение грунта (т.е. уплотнение грунта воздействиями на последний внутри массива грунта) как перед началом строительства, для ликвидации ранее образовавшихся в массиве грунта зон аномально низкой плотности, так и созданных в процессе выполнения работ при строительстве подземного объекта, то есть зон технологически разуплотненного грунта (во всех случаях имеются в виду зоны грунта, аномально легко поддающиеся глубинному уплотнению, далее - зоны легкоуплотняемого грунта). В случае, если в массиве грунта останутся зоны пониженной плотности, недостаточно уплотненные при выполнении компенсационного уплотнения, то в результате наблюдений (мониторинга) за охраняемым зданием и при начале проявления осадок здания ликвидируют зоны пониженной плотности путем дополнительного уплотнения грунта основания предлагаемым способом.
Для повышения эффективности каждого цикла глубинного компенсационного уплотнения грунта начинают уплотнение с выявления по глубине массива грунта зон легкоуплотняемого грунта путем фиксации координат точек, в которых при пробных импульсных воздействиях возникает провальное падение уровня пластичного твердеющего материала в устье скважины. Используемая при каждом пробном импульсном воздействии энергия преобразуется в конкретной точке по глубине разведочной скважины в другие ее виды и заведомо безопасна для охраняемого объекта. Вскрытые пройденной скважиной зоны, аномально легко поддающиеся уплотнению (зоны высокой уплотняемости соответствуют зонам низкой плотности, т.е. зонам легкоуплотняемого грунта), соединяются с поверхностью скважиной, по которой погружают инструмент, формирующий импульсы, и через которую в зону уплотнения поступает пластичный твердеющий материал под гидростатическим давлением. Последовательно, по глубине скважины в этих зонах осуществляют дискретные импульсные воздействия. Энергию, транспортируемую в зону локального глубинного уплотнения (зону легкоуплотняемого грунта) и преобразуемую там в другие ее виды, постепенно увеличивают с уровня, гарантированно безопасного на данной глубине уплотнения, до максимальной энергии, при преобразовании которой регистрируемые параметры динамического воздействия на охраняемое сооружение не превышают допускаемых нормируемых величин, например амплитуды скорости вертикальных и горизонтальных колебаний.
Такой допустимой по уровню энергией обрабатывают каждую зону легкоуплотняемого грунта до достижения отказа уплотнения, при необходимости в скважину периодически добавляют пластичный твердеющий материал. Если охраняемое сооружение имеет фундамент, заглубленный в грунт, то чтобы его не травмировать, уплотнение грунта осуществляют в этих зонах, начиная от нижней, наиболее заглубленной точки охраняемого сооружения, т.е. от подошвы фундамента и дальше вниз. Разуплотнение грунта развивается постепенно от границы производства работ по устройству подземного объекта, ограждающих котлован конструкций и т.п., во все стороны, поэтому, чем позже будут начаты работы по глубинному уплотнению грунта в зонах потенциального технологического разуплотнения, тем больший объем работ придется выполнить по компенсации развившегося разуплотнения. Если позволяют условия организации работ на строительной площадке, то рекомендуется глубинное уплотнение начать уже через сутки после изготовления очередной захватки, когда бетон не только схватился, но уже набрал минимальную прочность, достаточную для восприятия нагрузок от щадящих импульсных воздействий. При этом расстояние, безопасное для свежеизготовленного в грунте элемента (захватки) конструкции строящегося подземного объекте, должно быть, как правило, не менее половины величины ее поперечного сечения. Для стены в грунте толщиной 600 мм это расстояние составит не менее 300 мм. Оперативно выполненное глубинное уплотнение грунта исключает дальнейшее развитие разуплотнения грунта в сторону охраняемого сооружения. На участке захватки строящегося подземного объекта глубинное уплотнение осуществляют с шагом, обеспечивающим взаимное перекрытие зон уплотнения (соответствующих зонам легкоуплотняемого грунта). Если условия организации работ на строительной площадке не позволяют выполнить компенсационное глубинное уплотнение в наиболее благоприятный период начала распространения разуплотнения в массив грунта, т.е. в ранний период твердения бетона ограждающей конструкции, то его можно выполнить позже. Однако может проявиться влияние разуплотнения грунта основания под охраняемым сооружением в развитии и превышении предельно допустимых для такого здания деформаций несущих конструкций здания, после чего нужны уже другие методы спасения охраняемого сооружения.
При использовании гибких, относительно тонкостенных конструкций в ограждении глубокого котлована, которые, в процессе разработки грунта каждого яруса, до установки раскрепляющих конструкций, могут деформироваться и в грунте со стороны охраняемого сооружения вызывать развитие зон повторного разуплотнения. Можно повысить жесткость ограждающей конструкции, например стены в грунте, традиционным путем, увеличив ее толщину с 600 мм до 1000 мм, что существенно удорожает строительство. Для сохранения толщины конструкции ограждения котлована предлагается выполнить уплотнение грунта внутри котлована, повысив плотность грунта в зоне развития разуплотнения (зоне легкоуплотняемого грунта), в уровне контакта стены в грунте с дном промежуточного котлована на глубину ниже дна промежуточного котлована каждого яруса на 1…6 поперечных сечений конструкции ограждения котлована в этом месте. Учитывая, что расход материалов при уплотнении грунта в дискретно расположенных скважинах значительно (в несколько раз) меньше расхода материала для повышения жесткости конструкции ограждения традиционным путем, можно допустить уплотнение грунта внутри котлована на глубину, соответствующую высоте разрабатываемого выше яруса. Для этого вдоль ограждающих конструкций котлована выполняют скважины, начиная со дна промежуточного котлована предстоящего разработке яруса, до глубины, соответствующей удвоенной высоте яруса, предстоящего разработке (одна высота - это глубина яруса разработки, здесь только проходится скважина, через которую подают твердеющий материал, и инструмент для уплотнения ниже расположенной части скважины, вторая высота - ниже дна предстоящего разработке яруса, предназначена для осуществления глубинного уплотнения с целью увеличения плотности и прочности грунта внутри котлована, в который защемляется ограждающая котлован конструкция после разработки грунта выше расположенного яруса). При многоярусной разработке глубокого котлована глубинное уплотнение внутри котлована может быть выполнено до его разработки, одновременно с работами по устройству ограждающей котлован конструкции, например стены в грунте. В этом случае грунт в зоне верхнего яруса разработки грунта не уплотняется. Ниже выполняют уплотнение грунта на глубину 1…6 поперечных сечений ограждающей котлован конструкции глубже проектного дна котлована, вдоль всего периметра котлована в зонах природной аномальной плотности грунта (зонах легкоуплотняемого грунта) и развившегося в результате выполнения работ по устройству крепления бортов котлована разуплотнения.
Для целей глубинного уплотнения грунта могут использоваться различные методы уплотнения, например, импульсные механические воздействия на закачанный в скважину материал, микровзрывы зарядов взрывчатого вещества, гидравлические удары, электрические разряды высокого напряжения в конденсированной среде, разрушение мембран в сосудах, заполненных сжатыми газами, детонации смесей, содержащих окислитель и горючее или пары этих компонентов и т.д., а также комбинация любых сочетаний, в том числе упомянутых воздействий.
Интервал между импульсными воздействиями должен обеспечивать рассеивание в окружающем грунте энергии, выделившейся в предыдущем импульсе.
После устройства нескольких буросекущихся свай (диаметром 800 мм или, по крайней мере, одной захватки длиной 3 м стены в грунте траншейного типа толщиной 600 мм, из бетона класса по прочности на сжатие В30, пока разуплотнение грунта не распространилось в сторону охраняемого объекта на критическое для этого объекта расстояние) выполняют глубинное компенсационное уплотнение грунта со стороны охраняемого объекта по заявляемому изобретению. Обычно такое компенсационное уплотнение можно начинать уже через сутки после изготовления захватки стены в грунте, т.е. после набора материалом, из которого изготовлена стена в грунте, минимальной прочности. Для этого проходят, по крайней мере, одну разведочную скважину диаметром 80…135 мм на всю глубину возможного развития разуплотнения, которую определяют по данным инженерно-геологических изысканий. Минимальный диаметр разведочной скважины определяется условием размещения в ней устройства, которым осуществляют уплотнение грунта. Уплотнение грунта начинают выполнять от уровня подошвы фундамента охраняемого объекта до глубины возможного развития разуплотнения грунта. При этом дискретно воздействуют на грунт последовательными импульсами с энергией отдельного импульса, исключающей негативное воздействие на охраняемый объект, например, путем осуществления гидравлических ударов, микровзрывов или электрических разрядов в цементном растворе или в другом пластичном твердеющем материале.
Из опыта проведенных исследований можно рекомендовать гарантированно безопасную для охраняемого здания энергию уплотнения в разведочных скважинах на уровне низа подошвы фундамента охраняемого здания не более 5 кДж. Каждый из этих импульсов воздействует на грунт в локальной области, размеры которой ограничиваются выделяемой энергией. После осуществления каждого импульса точку, в которой находится источник воздействия, смещают по глубине разведочной скважины на ~0,3…0,5 м. После каждого импульса продолжают фиксировать снижение уровня твердеющего материала в устье скважины. Устанавливают границы зон, при упомянутых воздействиях в которых происходит провал твердеющего материала, подтверждающий наличие зоны легкоуплотняемого грунта на этой глубине. Как показали исследования, после импульса в слое грунта с ненарушенной плотностью осадка раствора в устье скважины не превышает нескольких мм, в то время как при осуществлении импульса в зоне рыхлых, разуплотненных песков и в других зонах легкоуплотняемого грунта при динамическом воздействии осадка раствора в устье скважины от первого импульса превышает указанную, как правило, в 5-10 раз. Таким образом устанавливают границы всех зон легкоуплотняемого грунта. В каждой скважине подобные зоны могут находиться на разной глубине. После определения границ всех обнаруженных по глубине данной скважины зон легкоуплотняемого грунта приступают к глубинному уплотнению.
На конструкциях охраняемого здания, как правило, на фундаменте и перекрытии последнего этажа устанавливают сейсмические датчики, с помощью которых фиксируют параметры воздействия на разных частотах. Нормами ограничиваются максимальные амплитуды горизонтальных и вертикальных скоростей колебаний фундамента и перекрытия верхнего этажа охраняемого здания. Начинают импульсное уплотнение с минимальной энергии, например, 5 кДж, фиксируют динамические воздействия на конструкциях охраняемого здания, сопоставляют с величинами, допускаемыми нормами, и принимают решение об увеличении энергии или продолжении уплотнения с минимальной энергией. После уплотнения самой верхней зоны легкоуплотняемого грунта (непосредственно под подошвой фундамента или в уровне подошвы фундамента) переходят к уплотнению грунта в ниже расположенной зоне легкоуплотняемого грунта. Энергию первого импульса сохраняют не выше максимальной энергии воздействия в зоне легкоуплотняемого грунта, расположенной выше, при которой динамические воздействия на охраняемое здание не превышали допустимого уровня энергии. После регистрации динамических воздействий на охраняемое здание при осуществлении импульсных воздействий на грунт в более глубоко расположенной зоне легкоуплотняемого грунта увеличивают энергию единичного импульса до уровня, при котором достигаются предельные величины воздействий на охраняемое здание. Таким образом, обрабатывая все зоны легкоуплотняемого грунта, выполняют глубинное компенсационное уплотнение грунта и исключают тем самым возможность дальнейшего развития разуплотнения в сторону охраняемого сооружения. Управляя выделяемой энергией, осуществляют щадящее уплотнение грунтового массива, поэтому абсолютно безопасное для охраняемого объекта.
О степени эффективности уплотнения грунта в каждой локальной зоне легкоуплотняемого грунта, судят по достижению отказа, т.е. по прекращению уплотнения грунта при используемой энергии воздействия, что визуально оценивают по прекращению снижения (падения) в устье скважины уровня твердеющего материала. Безопасную энергию одиночного импульса определяют опытным путем, для чего начинают воздействия с заведомо безопасных энергий. Постепенно увеличивая энергию одиночного импульса регистрируют параметры динамических воздействий на несущих конструкциях здания, например, измеряя амплитуды скоростей вертикальных и горизонтальных колебаний фундаментов и верхнего перекрытия охраняемого объекта известными методами. Максимальная энергия одиночного импульса считается безопасной, если параметры колебаний, возникающих при ее преобразовании, приближаются к величинам, установленным в нормах, но не превышают их (например, МДС 12-23-2006 «Временные рекомендации по технологии и организации строительства многофункциональных высотных зданий и зданий-комплексов в Москве», таблица 3). Пластичный твердеющий материал, заполняющий скважины, расходуется на заполнение локальной полости, образующейся в результате уплотнения грунта. Грунт уплотняют щадящим методом, в каждой отдельной локальной зоне легкоуплотняемого грунта, дискретно перемещая устройство, которым осуществляют уплотнение грунта, в выявленных зонах легкоуплотняемого грунта последовательно по всей глубине скважины, начиная от уровня заложения фундамента охраняемого сооружения, до глубин, где разуплотнение полностью отсутствует. После достижения отказа уплотнения грунта в одной зоне легкоуплотняемого грунта переходят к уплотнению другой зоны. Подобным образом обрабатывается весь массив, в котором могло наступить разуплотнение грунта в результате бурения или элевации грунта грейфером или другим механизмом при устройстве траншеи для стены в грунте. Для компенсационного уплотнения грунта используется цементный раствор или бетонная смесь с водоцементным отношением, достигающим 0,33…0,40, и добавкой суперпластификаторов. Такой материал, несмотря на импульсное воздействие, не разрывает пласты грунта, а только смещает грунт в стороны на 1…15 миллиметров при каждом импульсе, уплотняя грунт в локальной зоне легкоуплотняемого грунта. Устойчивость стенок образовавшихся полостей обеспечивается прочностью переуплотненного грунта и гидростатическим давлением твердеющего материала, заполнившим полость. Низкое В:Ц бетонной смеси и окружающий ее переуплотненный грунт исключают фильтрацию воды из объема твердеющего материала и его усадку. При глубинном уплотнении грунта по заявляемому способу исключается превышение бытового горизонтального давления на конструкции ограждения подземного сооружения, не ухудшаются строительные характеристики (свойства) грунта в призме обрушения, величины сцепления грунта не уменьшаются, не создается площадок скольжения, так как разрывы в слоях грунта не только отсутствуют, а их возникновение невозможно в принципе. В скважину не подается вода для промывки инструмента, инструмент очищается и промывается на поверхности после извлечения из скважины. Технология глубинного уплотнения и система контроля настолько проста, что для выполнения работ не требуются специалисты высокой квалификации.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
На фиг.1 изображена разведочная скважина, по глубине которой выявляют верхние и нижние границы зон разуплотненного грунта (границы зон аномально легко уплотняющегося грунта при динамических воздействиях в дискретных точках по глубине разведочной скважины).
На фиг.2 изображен фрагмент разведочной скважины с ушинением, сформировавшимся в неразуплотненном грунте, и характерной осадкой материала в устье скважины, израсходованного на заполнение этого уширения.
На фиг.3 изображен фрагмент разведочной скважины с ушинением, сформировавшимся в неразуплотненном грунте, и ушинением, сформировавшимся в разуплотненном грунте, с характерной осадкой материала в устье скважины, израсходованного на заполнение уширения в разуплотненном грунте.
На фиг.4 изображена рабочая скважина, по глубине которой осуществляют глубинное компенсационное уплотнение грунта в пределах границ, установленных зон аномально легко уплотняющегося грунта при динамических воздействиях в дискретных точках по глубине разведочной скважины.
На фиг.5 изображена рабочая скважина, по глубине которой осуществляют глубинное уплотнение грунта внутри котлована ниже дна промежуточного котлована в пределах глубины защемления ограждающей конструкции после разработки грунта верхнего яруса, т.е. на глубину 1…6 поперечных сечений ограждающей конструкции.
На фиг.6 изображена рабочая скважина, по глубине которой осуществляют глубинное компенсационное уплотнение грунта в пределах границ вновь обнаруженных зон аномально легко уплотняющегося грунта при динамических воздействиях в дискретных точках по глубине, после разработки очередного яруса грунта в котловане и происходящих деформаций ограждающих конструкций.
На фиг.7 изображены рабочие скважины, в которых осуществляют глубинное компенсационное уплотнение грунта в зоне разуплотнения, возникающих при проходке тоннеля.
На чертежах обозначены, соответственно: 1 - подземная часть охраняемого здания (существующего) здания (сооружения); 2 - конструкция ограждения проектируемого подземного объекта: котлована (стена в грунте, буросекущиеся сваи, бурокасательные сваи, дискретно установленные сваи), обделки тоннеля; 3 - разведочная скважина, по глубине которой выявляют верхнюю и нижнюю границы зон разуплотненного грунта (границы зон аномально легко уплотняющегося грунта при динамических воздействиях в дискретных точках по глубине разведочной скважины); 4 - пластичный твердеющий материал; 5 - локальные уширения, получаемые в неразуплотненном грунте, от действия одного импульса в конкретной точке по глубине разведочной скважины 3; 6 - локальные уширения, получаемые в разуплотнением грунте, от действия одного импульса в конкретной точке по глубине разведочной скважины 3; 7 - зона разуплотненного грунта, в которой образуются уширения 6, сверху и снизу ограничена локальными уширениями 5; 8 - устье скважины; 9 - датчики, регистрирующие сейсмические воздействия на фундамент и верхнее перекрытие охраняемого здания (сооружения); 10 - дно проектируемого котлована; 11 - величина снижения уровня пластичного твердеющего материала 4 в устье разведочной скважины 3, характерная для образования уширения 5 от одного динамического импульсного воздействия в неразуплотненном грунте; 12 - величина снижения уровня пластичного твердеющего материала 4 в устье разведочной скважины 3, характерная для образования уширения 6 от одного динамического импульсного воздействия в разуплотненном грунте, в 5…10 раз превышающая осадку пластичного твердеющего материала, характерную для образования уширения 5 в неразуплотненном грунте; 13 - рабочая скважина, по глубине которой осуществляют глубинное компенсационное уплотнение грунта в пределах границ 7, установленных зон аномально легко уплотняющегося грунта; 14 - нижняя граница нижней зоны разуплотненного грунта, до которой может быть уменьшена глубина рабочей скважины; 15 - граница возможного разуплотнения грунта при устройстве подземного сооружения: ограждающей котлован конструкции или тоннеля, в песках зона разуплотнения, как правило, больше, в связных грунтах - меньше; 16 - дно промежуточного котлована; 17 - рабочая скважина внутри котлована, по глубине которой осуществляют глубинное уплотнение грунта ниже дна промежуточного котлована; 18 - глубина защемления ограждающей конструкции после разработки грунта верхнего яруса, эта глубина составляет 1…6 поперечных сечений ограждающей конструкции; 19 - граница расчетной (или фактической установленной по результатам мониторинга за перемещением контрольных марок) деформации конструкции 2 ограждения котлована; 20 - элемент крепления конструкции ограждения котлована (показана распорка, но может быть грунтовый анкер, подкос и т.п.); 21 - рабочая скважина, по глубине которой осуществляют глубинное компенсационное уплотнение грунта после обнаружения, в результате мониторинга, деформаций конструкций ограждения котлована; 22 - подземное сооружение (тоннель); 23 - скважины для глубинного уплотнения грунта в зоне влияния работ по проходке тоннеля; 24 - твердое покрытие проезжей части дороги (глубинное уплотнение выполняют для уменьшения влияния подземных работ на деформации покрытия дороги).
Предлагаемый способ охраны существующих сооружений, находящихся в зоне влияния работ, а именно в зоне возможного разуплотнения грунта основания охраняемых сооружений, возникающего при строительстве подземного объекта, реализуется следующим образом.
Таким образом, в предложенном способе по сравнению с прототипом достигается более эффективное уплотнение, при меньшем расходе материалов, не требуется сложного оборудования для контроля изменения напряженно-деформированного состояния грунта.
По мере разработки грунта в котловане и монтажа элементов крепления стены в грунте (распорок, грунтовых анкеров, подкосов и т.п.) осуществляют контроль перемещений ограждающей котлован конструкции в сторону его центра. При развитии перемещений ограждающей котлован конструкции анализируют результаты этих измерений и, при необходимости, осуществляют дополнительное глубинное компенсационное уплотнение грунта в зонах возможного развития разуплотнений (т.е. зонах легкоуплотняемого грунта), по крайней мере, на глубину удвоенной толщины ограждающей котлован конструкции ниже уровня промежуточного дна котлована, ограничивая развивающееся разуплотнение, и увеличение пористости грунта путем уплотнения грунта и введения в образующиеся полости твердеющего материала.
Как показали теоретические исследования, наряду с экспериментальным опробованием, грунт, окружающий локальную зону обработки, уплотняется, образующиеся при каждом импульсе микрокамуфлетные полости сразу же заполняются твердеющим материалом, непрерывно поступающим в зону обработки по скважине.
Разуплотнение грунта при устройстве ограждения котлована происходит не только со стороны охраняемого объекта, но и со стороны котлована. При этом грунт в зоне контакта с ограждающей конструкцией ухудшает свои первоначальные физико-механические строительные характеристики, учтенные при расчете устойчивости и деформаций ограждения. В результате разуплотненный грунт допускает большие деформации конструкций ограждения котлована, особенно глубоких, под действием сил бокового давления грунта в сторону котлована - за счет обжатия стеной в грунте пристенного слоя разуплотненного грунта. Поэтому, по мере разработки грунта в котловане, начиная по крайней мере со второго яруса, выполняют первичное глубинное уплотнение грунта вдоль ограждения со стороны (внутри) котлована, компенсируя разуплотнения грунта, вызванные производством работ по устройству крепления котлована. Шаг скважин, через которые производится глубинное уплотнение грунта, определяется опытным путем для каждого участка отдельно при производстве уплотнения в разведочной скважине.
Таким образом впервые представилась возможность с минимальными трудозатратами выполнить геотехнический барьер путем предложенного глубинного компенсационного уплотнения грунта импульсами.
По заявляемому изобретению динамические уплотняющие воздействия производят только в локальных, предварительно обнаруженных зонах легкоуплотняемого грунта, не воздействуя динамическими импульсами за пределами границ зон легкоуплотняемого грунта. Тем самым минимизируется количество импульсов, необходимое и достаточное для уплотнения грунта. Для ликвидации разуплотнения грунт в ограниченных зонах легкоуплотняемого грунта в результате техногенного воздействия при строительстве подземного объекта (стены в грунте, тоннеля), а также других геотехнических работ или проявления природных явлений (в результате суффозии, карстовых провалов и т.д.), т.е. производят компенсацию развивающегося разуплотнения в локальных зонах.
По сравнению с известными техническими решениями предлагаемый способ по критериям стоимости, чувствительности и ответной реакции, стабильности достигаемых параметров является непревзойденным.
Заявляемое изобретение обеспечивает достижение технического результата, который заключается в расширении области применения глубинного уплотнения грунтов, управляемым компенсационным уплотнением грунта, в котором устанавливаются, а затем ликвидируются локальные зоны легкоуплотняемого грунта при минимальном воздействии на охраняемое сооружение, грунт и конструкции строящегося подземного объекта и при минимальном расходе ресурсов.