Способ устройства свайного фундамента в многолетнемерзлом грунте
METHOD OF THE PILE FOUNDATION ARRANGEMENT IN THE PERMAFROST SOIL

Изобретение относится к фундаментам, возводимым в многолетнемерзлом грунте (ММГ) для использования в качестве опоры в основании грунтоцементного массива для различных легковозводимых сооружений, мостов и трубопроводов, газопроводов, временных бытовых сооружений, малоэтажных жилых домов.
Известны способы устройства фундаментов с помощью струйной технологии путем размыва мерзлого грунта для его последующей разработки /1,2/. Струйная технология широко и эффективно используется в талых грунтах, но практически не применяется в многолетнемерзлых грунтах.
Недостатками возведения фундаментов в предварительно разработанном мерзлом грунте с помощью струйной технологии являются высокая трудоемкость работ по поддержанию температурного режима в конструкции фундамента и предотвращению льдообразований в основании при размыве.
Эффективнее замешать этот же грунт с цементом на месте для последующего использования в качестве фундамента здания, опоры трубопровода и пр. Это осуществляется уже при однокомпонентной системе струйной технологии jet 1, когда одной струей цементного раствора грунт размывается, замешивается с цементом и после затвердевания образуется грунтоцемент. При двухкомпонентной системе jet 2 струя цементного раствора усилена воздушным потоком или паром для мерзлых грунтов. При трехкомпонентной системе jet 3 размыв грунтового массива производится водяной струей, окруженной воздушным потоком (паром), а закрепление грунтового массива - струей цементного раствора. При этом не только возрастает диаметр сваи в 3-5 раз, но и возможно замещение грунта цементом практически полностью, а также получение конструкции сваи с высокими прочностными свойствами.
При отрицательных температурах для набора прочности цемента сваи используются противоморозные добавки.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ устройства свайного фундамента в многолетнемерзлом грунте путем укрепления оснований зданий, включающий бурение скважины по струйной технологии с одновременным оттаиванием грунта и заполнение скважины грунтоцементной смесью при применении в качестве ускорителя твердения цемента извести-кипелки и соляной кислоты с образованием после ее затвердевания грунтоцементной колонны / 3/.
Недостаток известного способа устройства свайного фундамента - отсутствие стабильно высокой прочности грунтоцементной сваи по высоте в неоднородных грунтах, сложность технологии внесения добавок, необходимости использования дополнительного оборудования и подбора состава добавки, в зависимости от теплофизических свойств грунта. Данный способ имеет ограниченную область применения, так как возможно строительство только по II принципу, когда грунты основания эксплуатируются в талом состоянии.
Техническая проблема состоит в необходимости обеспечения прочностных свойств грунтоцемента в свае по ее высоте и их стабильности, упрощении технологии устройства фундамента в ММГ и расширения возможности использования струйной технологии в многолетнемерзлом грунте при строительстве по I принципу, когда грунт в основании свайного фундамента сохраняется в естественном мерзлом состоянии. В связи с очень глубоким распространением многолетнемерзлых грунтов по глубине (более 100 м) на большинстве северных территорий РФ широко распространено строительство по I принципу.
Техническая проблема решается таким образом, что в способе устройства свайного фундамента в многолетнемерзлом грунте путем бурения скважины по струйной технологии с одновременным оттаиванием грунта и заполнением скважины грунтоцементной смесью с образованием после ее затвердевания грунтоцементной колонны, согласно изобретению бурение скважины осуществляют на глубину ниже границы оттаивания грунта, а после заполнения скважины грунтоцементной смесью в скважину до границы оттаивания грунта погружают армирующий трубчатый элемент с закрепленной на конце эластичной оболочкой, размером, соответствующим диаметру сваи, затем в эластичную оболочку через трубчатый элемент заливают смесь компонентов полиольного и изоцианатного, взятых в соотношении 1:(1,1-1,7), с коэффициентом расширения 4-12 и выдерживают при температуре 8-35°C в течение не менее двух суток с образованием на пяте сваи теплоизоляционного слоя из высокопрочного пенополиуретана. Причем в скважину после заполнения ее грунтоцементной смесью погружают армирующий трубчатый элемент диаметром, равным 0,1-0,5 от диаметра грунтоцементной колонны.
Для повышения прочности пяты сваи более 0,7 МПа смесь компонентов полиольного и изоцианатного готовят путем их смешения при температуре не менее 20°C непосредственно перед заливкой ее в эластичную оболочку при следующем соотношении компонентов, мас. %: полиольный компонент - 37-48; изоцианатный компонент - 52-63. Кроме того, для повышения прочности на пяте сваи свыше 2 МПа смесь полиольного и изоцианатного компонентов могут заливать в эластичную емкость, снабженную ребрами жесткости.
Система компонентов подбирается согласно требованиям по несущей способности на конкретном объекте.
Устройство грунтоцементной сваи ниже глубины оттаивания обеспечивает возможность расположить теплоизоляционный слой в слое мерзлого грунта и предотвратить оттаивание многолетнемерзлого грунта на период эксплуатации фундамента сооружения.
Трубчатый элемент несет функцию армирующего жесткого элемента сваи обеспечивающего жесткое соединение сваи с надфундаментной конструкцией здания в период эксплуатации. При устройстве грунтоцементной сваи трубчатый элемент служит для подачи смеси компонентов пенополиуретана в эластичную оболочку. Соотношение диаметров 0,1-0,5 выбрано исходя из двух условий:
- условия равенства допускаемой нагрузки на основании сваи из пенополиуретана и нагрузки на стальной армирующий элемент;
- условия проходимости через армирующий элемент компонентов пенополиуретана.
При диаметре сваи jet1 0,6-0,8 м и прочности основания 0,7 МПа основание сваи воспринимает такую же нагрузку как стальная труба диаметром 6-8 см. Но для доставки двух компонентов сечение армирующего элемента должно быть не менее 0,1 м. Поэтому соотношение между диаметрами армирующего элемента и сваи выбрано 0,2. При диаметре сваи jet 2 более 1 м сечение армирующего элемента может быть 0,1 от диаметра сваи.
В случае повышения прочности пяты сваи до 2 МПа соотношение сечение армирующего элемента и диаметра сваи должно быть увеличено до 0,2 для jet 1, 0,3 для jet 2 и 0,5 для jet 3 диаметром 2,5 м.
Указанный для образования теплоизоляционная слоя высокопрочный пенополиуретан, полученный из затвердевшей смеси компонентов полиольного и изоцианатного, обладает достаточной прочностью и теплопроводностью для обеспечения заданных расчетных параметров фундамента при соблюдении температурного режима при приготовлении смеси и ее отверждении.
При прочности пяты основания сваи 0,7 МПа допускаемая нагрузка на сваю с коэффициентом запаса 1,4 составит 25 тн при диаметре 0,8 м, 56 тн при диаметре 1,2 м. Этого достаточно для восприятия нагрузок от малоэтажных сооружений за полярным кругом. В случае использования оболочки с ребрами жесткости и прочности пенополиуретана основания сваи 2 МПа, допускаемая нагрузка составит 160 тн. Такая нагрузка передается от сложных сооружений и многоэтажных зданий.
Результаты численного моделирования температурного воздействия на оттаивание грунта основания сваи диаметром 600 мм длиной 2 м из цементогрунта, изготовленного по струйной технологии с прогревом до +35 градусов пяты сваи из пенополиуретана высотой 200 мм, показали, что в период производства работ оттаивания основания не происходит, а в период эксплуатации в условиях среднегодовой температуры минус 2 градуса теплоизоляция защитила многолетнемерзлый грунт основания сваи от оттаивания.
Сутью предлагаемого способа является создание теплоизолирующего слоя из высокопрочного пенополиуретана в теле грунтоцементной сваи, выполненной по струйной технологии. Толщину теплоизолирующего слоя определяют исходя из теплотехнического расчета для конкретных климатических условий исходя из требования, чтобы подстилающая мерзлота не оттаивала при эксплуатации фундамента в летний период и не давала просадку грунта.
Предлагаемая последовательность операций способа при использовании jet-технологии позволяет упростить производство работ и обеспечить стабильность свойств сваи в период оттаивания грунта.
Способ осуществляют следующим образом.
Способ поясняется чертежом, где представлена схема осуществления способа по стадиям устройства грунтоцементной сваи.
На фиг. 1 изображена стадия бурения скважины на проектную глубину; фиг. 2 - стадия бурения скважины с размывом грунта до проектного диаметра по струйной технологии с одновременным его оттаиванием; фиг. 3 - стадия заполнения скважины грунтоцементной смесью при подъеме ее на проектную отметку верха сваи; фиг. 4 - стадия образования грунтоцементной сваи; фиг. 5 - стадия погружения в грунтоцементную смесь армирующего элемента с эластичной оболочкой и присоединения установки для заливки смеси компонентов; фиг. 6, 7 - стадии заполнения эластичной оболочки смеси компонентов с помощью установки для заливки; фиг. 8 - готовая грунтоцементная свая с теплоизоляционной защитой многолетнемерзлого грунта по предлагаемому способу изготовления.
Фундамент содержит грунтоцементную сваю 1, армирующий трубчатый элемент 2, эластичную оболочку 3, уровень насыпи 4, уровень грунта 5, уровень оттаивания многолетнемерзлых грунтов 6, установку для заливки смеси компонентов 7, комплект бурового и насосного оборудования для струйной технологии 8.
Способ может осуществляться по одному из двух методов:
1) Погружением в размытую цементогрунтовую смесь до начала ее схватывания оснастки в виде трубы с эластичной емкостью, заполненной пенополиуретановой смесью, на конце до проектной отметки. Емкость возможно выполнить с ребрами жесткости для увеличения прочности основания сваи более чем 2 МПа. Данный вариант применим в тех случаях, когда размыв грунта производится непосредственно с поверхности земли.
2) Погружением в размытую цементогрунтовую смесь оснастки в виде трубы с пустой надуваемой формой на конце. Метод применим в ситуациях, когда размыв грунта производится с бурением лидерной скважины через конструкции или при наличии иного типа ограничения, когда размер погружаемой оснастки ограничивается размером пилотной скважины. После погружения оснастки на проектную глубину форму под давлением до 0,8 МПа заполняют пенополиуретановой системой компонентов.
На фиг. 3 изображена подача в эластичную оболочку (емкость) через армирующий элемент смесь компонентов полиольного и изоцианатного, взятых в соотношении 1:1,1-1,7. Подача компонентов осуществляется заливочной машиной для пенополиуретана 1 в эластичную оболочку или емкость с ребрами жесткости 2 через армирующий элемент 3.
Предварительно для установки оборудования выравнивается поверхность грунта путем подсыпки песчаной или гравийной насыпи на высоту 300-500 мм. От нижней отметки насыпи и на проектную глубину ниже глубины оттаивания грунта выполняется его закрепление по струйной технологии.
Технология Jet grouting имеет целый ряд преимуществ:
Высокую скорость производства работ;
Возможность работы в стесненных условиях;
Отсутствует динамическое воздействие от применяемого оборудования;
Ограждающая конструкция, выполненная из отдельных элементов, воспринимает не только вертикальную и горизонтальную нагрузку, но и может служить противофильтрационной завесой.
Компоненты пенополиуретановой смеси - полиольный и изоцианатный доставляются на строительную площадку вместе с полиэтиленовыми мешками, сшитыми размером, соответствующим диаметру сваи.
Технический результат состоит в обеспечении эффективной работы фундамента при оттаивании и промерзании ММГ при действии на него различных нагрузок. Как показали расчеты выпучивания сильнопучинистого грунта и опыты испытаний пенополиуретана при нагрузке до 0,7 МПа деформации материала незначительны, и за 40 циклов составляют 0,2-0,3%, что не превышает предельно допустимых значений относительных деформаций трубопроводов и малоэтажных сооружений. За счет уменьшения длины свай снижаются транспортные и материальные затраты. Расширение области применения струйной технологии в многолетнемерзлых грунтах повышает производительность и снижает трудоемкость строительства в труднодоступных краях Северных широт.
Примеры
В результате испытаний согласно ГОСТ 4651-2014 образцов с размерами 10,0×10,0×10,0 мм циклами «загружение - разгрузка» выявили стабилизацию свойств пенополиуретана через 2-3 цикла. Долговечность материала 50 лет. Скорость испытания 2 мм/мин. Температура испытаний 20°C. Образцы были изготовлены на фрезерном станке с программным управлением.
3
3
Высота подушки ППУ 200 мм. ППУ заглублена на половину высоты в мерзлые грунты. Средняя плотность суглинка 1,8 т/м. Плотность скелета грунта 1,5 т/м. Угол внутреннего трения 20°C. Коэффициент теплопроводности в талом грунте - 1,15 кКал/час м°C=1,337 Вт/м°C. Коэффициент теплопроводности в мерзлом -1,3 кКал/час м°,С=1,511 Вт/м°С. Коэффициент теплопроводности Jet -1,3 Вт/м°C. Коэффициент теплопроводности ППУ- 0,05 Вт/м°C. При среднегодовой температуре -2°C оттаивание ММГ в основании сваи под пенополиуретаном отсутствует, деформации пучения под нагрузкой не превышают допустимых значений в сильнопучинистых грунтах с глубиной оттаивания до 2,5 м.
Вывод: из построенных гистерезисов сжатия-разгрузки образцов, до нагрузки 0,7 МПа материал испытывает упругую деформацию (в зоне деформаций до 4%). Нагрузка на циклах сжатие-разгрузка приходит в исходную точку (если смотреть отдельно каждый гистерезис, то разница исходной точки испытания на сжатие и конечная точка после «разгрузки» материала составляет в среднем 0.2-0.3%). То есть при высоте компенсирующей подушки 20 см остаточные деформации составляют 0,4-0,6 мм в год.
Если рассматривать нагрузку в 700 кПа как основополагающую для проведения расчетов, то упругая деформация составляет 2.2% или 4,4 мм для подушки высотой 20 см. Исходя из этого можно посчитать необходимый размер демпферной детали, чтобы она работала в требуемом диапазоне деформации пучения-оттаивания грунта.
Оценка физико-механических свойств отвержденной ППУ композиции при условии низких температур (+8°С) заливочной формы и попадании влаги в форму (в момент проведения заливки).
Объект испытаний: Система ППУ. Условия проведения теста - температура воды 8°C
В качестве заливочной формы используется мешок из плетеных Ш1 нитей. Структура мешка пропускает небольшое количество влаги (при погружении формы в воду), а также служит в качестве отверстий для выхода газообразных продуктов в процессе отверждения ППУ.
Вспомогательные предметы
Емкость объемом 200 л. Заполнена водой наполовину
Лопастной смеситель объемом 20 л (3000 об/мин)
Плетеный ПП мешок объемом 40 л (с утяжелителем)
Весы лабораторные AND DL-3000WP
Порядок работ
Компоненты А(полиольный) и Б(изоцианатный) были завешены на лабораторных весах из расчета общей массы 2,5 кг в двух емкостях.
Затем компоненты А и Б были залиты в лопастной смеситель. Перемешивание проводилось 10 с.
Перемешенные компоненты были залиты в полипропиленовый мешок. Мешок был герметично закрыт и сразу погружен в емкость с холодной водой температурой 8°C.
Мешок выдерживался 24 часа в воде до полного отверждения.
Были получены следующие результаты:
1. ППУ прореагировал без отклонений. Исключение составляет внешний слой ППУ полученного изделия толщиной от 5 до 25 мм, где плотность получилась ниже.
2. Оценили физико-механические параметры на сжатие (сутки после заливки). Полученный результат - несущая способность соответствует требуемым характеристикам.
В случае более высоких требований по несущей способности, требуется использование соответствующей системы ППУ.
*** Разницы по физико-механическим параметрам в центре изделия и в зоне на границе с внешней коркой не обнаружено.
3. 3а счет мелких отверстий между переплетениями полипропиленовых нитей мешка ППУ заполнил краевые зоны мешка без образования полостей из воздуха.
Пример систем ППУ с разной несущей способностью:
2
1. Несущая способность до 6 кг/см.
Соотношение компонентов 1:1,1 (Полиольного (А) изоцианатного (Б))
Температура исходных компонентов
20°C
Температура формы при отверждении
20°C
Время отверждения
24 ч
Прочность материала на сжатие
5-6 кг/см<sup>2</sup>
Теплопроводность Вт/м°C,
0,05
2
2. Несущая способность до 20 кг/см.
Соотношение компонентов 1:1,25 (Полиольного (А): изоцианатного (Б))
Температура исходных компонентов
20°C
Температура формы при отверждении
20°C
Время отверждения
24 ч
Прочность материала на сжатие
17-20 кг/см<sup>2</sup>
Теплопроводность Вт/м°C,
0,05
Источники информации
1. Рекомендации по струйной технологии сооружения противофильтрационных завес, фундаментов, подготовки оснований и разработки мерзлых грунтов. ВНИИОСП, М. 1989. 89 с.
2. Земляные сооружения, основания и фундаменты. СНиП 3.02.01-87. Актуализированная редакция. СП 45.13330.2012.
3. Патент РФ №2537437, кл. E02D 27/35, опубл. 10.01.2015 (прототип).