СПОСОБ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR SOIL AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к строительству, в частности строительству мостов, сооружений в водной среде, а также к возведению зданий и сооружений на водонасыщенных грунтах. В настоящее время широко известен способ закрепления грунта посредством нагнетания в них разных составов, активно реагирующих с грунтом (см., например, В.Е. Соколович «Химическое закрепление грунтов», М. - Стройиздат. - 1980. - С. 3).
Основным недостатком закрепления грунтов химическими составами является то, что химическая активность различных грунтов неодинакова. Это вызвало необходимость создания большого количества различных закрепляющих составов (см., например, а.с. СССР NN 1467137, 1622515, 166274, пат. РФ N 2035544 и др., МКИ Ε02D 3/12). Кроме того, этот способ невозможно использовать для закрепления грунтов, степень влажности которых превышает 0,6 д.ед., слабопроницаемых грунтов, плывунов и т.д.
Этого недостатка лишен способ закрепления грунта и заключающийся в нагнетании в грунты через пробуренные скважины или инъекторы цементного или грунтоцементного раствора (см., например, Л.B. Гончарова «Основы искусственного улучшения грунтов», М. Издательство Московского университета, 1973, с. 331).
Однако при применении этого способа велик расхода цемента. Так в геологических условиях г. Ростова-на-Дону и Ростовской области, ряда районов Северного Кавказа и Западной Сибири для закрепления просадочных и слабых грунтов основания под фундамент, например, 9-ти этажного 72-квартирного дома серии 87-072/1.2 п потребляется до 600 тонн портландцемента марки 400-500.
При этом геологические разрезы грунтов этих районов на глубину закрепления, как показали многолетние исследования, представляют собой несколько геологических элементов (несколько слоев грунта), имеющих различные составы, физико-механические показатели и химическую активность, например, пылеватые пески, просадочные лессовидные грунты, плывуны, илы и т.д. Чередование и количество таких геологических элементов могут быть самыми различными даже в пределах одного населенного пункта.
Также этот способ невозможно применить для возведения оснований сооружений в водной среде.
Существующие технологии химического закрепления просадочных грунтов с влажностью выше 18% не позволяют обеспечить прочностных проектных параметров закрепления грунта.
Это происходит вследствие вымывания с поглощающего комплекса и выщелачивания с грунтовой массы, которая закрепляется, солей кальция и других водорастворимых солей, участвующих в обменных реакциях закрепления.
Разработана химическая технология закрепления просадочных водонасыщенных грунтов и плавунов (свыше 20% влажности), которая позволяет обеспечить сплошное закрепление грунтов с использованием нагнетаемых компонентов на 90-95%.
Предлагаемая технология включает устройство скважин, образование в них зон нагнетания и подачу в закрепляемый массив через систему инъекторов химических растворов. Сначала в закрепляемых грунт через инъекторы нагнетают водный раствор гидрата окиси кальция последовательными заходками сверху вниз на всю глубину закрепления, а затем также последовательными заходками, но снизу вверх нагнетают раствор силиката натрия с модифицирующими добавками (состав модифицирующих добавок является НОУ-ХАУ). Инъекторы для нагнетания второго раствора расположены между инъекторами для нагнетания первого раствора и второго раствора.
Технология защищена патентом Украины №75409, с приоритетом от 29.12.2003 г.
Эта технология не позволяет строить основания сооружений в водной среде, например, возводить сваи мостов в море.
Известен способ, который может быть использован для закрепления переувлажненных глинистых и расположенных ниже их слабых просадочных грунтов, при реконструкции и строительстве зданий и сооружений, а также для повышения устойчивости естественных оползневых склонов, искусственных откосов дамб, котлованов и бортов карьеров. Способ закрепления переувлажненных глинистых и просадочных грунтов включает выполнение в переувлажненных грунтах вертикальной или наклонной полости и формирование в ней путем заполнения этой полости несвязным составом.
Из технического уровня известен способ закрепления слабых грунтов, включающих создание цилиндрической полости в поверхности, укрепление стенок цилиндрической трубой-кондуктором и инъектирование твердеющего раствора путем его подачи под давлением в грунт через инъектор. В грунтах большой мощности цилиндрическую полость создают и укрепляют ее стенки трубой-кондуктором путем одновременного ее погружения под действием вибрации с размещенной в ней соосно вспомогательной трубой, внешний диаметр которой определяют по определенной зависимости. Вспомогательную трубу извлекают из трубы-кондуктора при достижении глубины расположения верхней границы слабых грунтов, подлежащих закреплению. Через трубу-кондуктор под действием вибрации погружают инъектор на всю мощность закрепляемой толщи слабых грунтов, герметизируют его в кондукторе и через него поинтервально нагнетают твердеющий раствор, поднимая каждый раз инъектор на высоту очередного инъектируемого интервала. Все операции по инъектированию на одной точке закрепления выполняют за время релаксации грунта, уплотненного при вибропогружении кондуктора и инъектора. Технический результат состоит в повышении производительности трудах, сокращении длительности процесса, снижения затрат, экономии энергии и технологичности способа (Пат. №2256028 на изобретение, опубл. 101.07.2005. Бюл. 19).
Недостатком известного способа является то, что диаметр уплотнения при забивке кондукторов не превышает трех внешних радиусов поперечного сечения трубы-кондуктора и сохраняется всего лишь до 3 суток, т.е. это вспомогательное мероприятие, которое обеспечивает возможность закрепления нижележащих грунтов, а верхние грунты в процессе релаксации или замачивания разуплотняются и принимают естественную прочность.
Этот способ также неприемлем для строительства сооружений в водной среде.
Известен также способ закрепления грунта, включающий определение количества, порядка залегания, толщины и свойств геологических элементов в геологическом разрезе закрепляемого массива грунта с последующим закреплением грунта отдельными заходками снизу вверх по высоте закрепляемого грунта. Новым является то, что в геологических элементах с наибольшими просадочными свойствами возводят буронабивные сваи с использованием обсадной трубы путем полного замещения грунта бетонной смесью, а в остальных геологических элементах возводят грунто-цементные сваи по струйной технологии, при этом каждую следующую заходку осуществляют после того, как свая, возведенная предыдущей заходкой, наберет прочность, достаточную для удержания закрепляемого при последующей заходке грунта, а буронабивные и грунто-цементные сваи возводят соосно. Технический результат изобретения состоит в повышении степени закрепления и несущей способности грунта при сокращении сроков строительства и снижении расхода бетона (Патент №2209267).
Недостатком способа является его нетехнологичность, т.к. для каждого инженерно-геологического элемента необходимо использовать свою технологию закрепления, следовательно на каждой точке заново устанавливать другое технологическое оборудование, а так как сооружение каждой сваи выполняют по схеме снизу вверх, то уже после устройства первого свайного элемента вся полость, расположенная выше этого элемента, в обводненных грунтах заплывает грунтом и остатками бетона, то выполнение очередного элемента вверх практически будет невозможно.
Этот способ также неприемлем для строительства свай в море на плавунах.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков и выбранным в качестве прототипа- является «Способ усиления основании симметрично нагруженных фундаментов» (Патент RU №20269926. опубликованный 01.20.1995).
Повышение эффективности уплотнения оснований фундаментов при реконструкции или усилении аварийных зданий, а также расширение области применения в песчаных и обводненных глинистых грунтах достигают проходкой с помощью пневмопробойника наклонных скважин с последующим уплотнением инертным материалом, например щебнем. При этом инертный материал засыпают в скважину порциями, равными 1/3-1/2 длины пробойника, с последующим уплотнением.
Недостатком известного способа является ограниченная глубина при выполнении полости пневмопробойниками, дискретность выполнения свай отдельными заходками, малая прочность ее материала. Эти недостатки приводят к увеличению объемов закрепления для обеспечения необходимой несущей способности основания.
Глубина закрепления в известном способе ограничивается длиной пневмопробойника, а прочность материала основания - плотностью естественного грунта.
Способ непригоден без предварительных затрат при наличии подстилающих слабых и просадочных пород ниже подошвы сооружаемой сваи.
Этот способ также непригоден для использования его в водной среде.
Известен способ уплотнения просадочных грунтов (см. «Рекомендации по уплотнению просадочных грунтов большой мощности гидровзрывным методом». - M.: Стройиздат, 1984, стр. 3-12, рис. 2, 6) (1) путем устройства котлована, бурения дренажных и взрывных скважин, при этом дренажные скважины заполняют дренажным материалом, который в процессе замачивания скважин дренирует воду и обеспечивает устойчивость стенок скважин, т.е. предохраняет их от оплывания, а во взрывные скважины устанавливают трубы для подачи смеси путем замачивания и сейсмического воздействия. Сущность изобретения: осуществляется образование котлована, бурение дренажно-взрывных скважин с закреплением их стенок, замачивание грунта, размещение в скважинах зарядов взрывчатого вещества и осуществление взрыва зарядов с осадкой грунта под собственным весом.
Стенки скважин закрепляются путем их обжига при температуре 400-1000С в виде кольцевого слоя на глубину, равную 2/3 просадочной толщи. Затем замачивают просадочную толщу через котлован и дренажные скважины, либо только через дренажные скважины, после водонасыщения грунтов просадочной толщи через транспортные трубы и через взрывные скважины транспортируют заряд ВВ и взрывают его, при этом структурные связи водонасыщенного грунта разрушаются и происходит интенсивное уплотнение грунта.
Этот способ также непригоден для закрепления больших массивов грунта.
В книге Л.B. Гончарова «Основы искусственного улучшения грунтов, М., ИГУ, стр. 124, однако цель и конечный результат при этом совершенно иные, во-первых, в предлагаемой способе уплотнения грунтов известный технологический прием используют для обжига грунта лишь в стенках скважины толщиной слоя 10-15 см вокруг нее для получения «цилиндра» из обожженного грунта, заменяющего функции трубы, с целью защиты от оплывания и сохранения ее устойчивости с тем, чтобы после замачивания была бы обеспеченна возможность погружения в ее полость зарядов взрывчатого вещества на требуемую глубину просадочной толщи и тем самым исключения из технологии уплотнения дефицитных труб. Во-вторых, обжиг грунта в стенках скважин используется с целью повышения фильтрационной способности скважин, т.е. ее дебита с тем, чтобы ускорить процесс замачивания грунтов просадочной толщи, исключив при этом из технологии уплотнения дренажный материал (щебень и песок). При этом обжиг грунта в стенках скважин осуществляют лишь на 2/3 глубины просадочной толщи.
Конечный результат просадочной толщи применения обжига грунтов в предлагаемом способе повышение эффективности уплотнения просадочных грунтов за счет уменьшения объема буровых работ, ускорения процесса замачивания просадочной толщи, экономии труб и дренажного материала, тогда как конечный результат обжига грунтов в известном способе устранение просадочности грунтов за счет их термического укрепления в просадочной толще. При этом целью обжига грунтов является получение закрепленных массивов (грунтостолбов) диаметром по 2-3 м каждый. Причем обжиг грунтов становиться эффективным только при условии его осуществления на полную глубину просадочной толщи.
Если в предлагаемом способе в конечном итоге устранение просадочности происходит за счет разрушения природных связей, между частицами грунта и, следовательно, структуры грунта и его уплотнения, то в известном способе устранение просадочности происходит наоборот за счет укрепления природных связей. Отличительная особенность предлагаемого способа в сравнении с прототипом состоит в том, что взрывные скважины являются одновременно и дренажными, а защиту их стенок от оплывания осуществляют обжигом грунта вокруг них, при этом обжиг грунта производят на глубину 2/3 мощности просадочной толщи.
По прототипу защиту стенок взрывных скважин от оплывания осуществляют химическими методами, например, силикатизацией. При этом производят нагнетание жидкого стекла или других реагентов в поры грунта, где происходит в результате химических реакций образование геля кремниевой или других кислот, вследствие чего происходит укрепление грунта в стенках скважин, однако они становятся водонепроницаемыми, что вынуждает наряду со взрывными скважинами бурить дренажные скважины, а защиту их стенок от оплывания и обеспечения фильтрации воды осуществлять заполнением щебнем или крупнозернистым песком, глубина закрепления взрывных скважин не превышает глубины начального просадочного давления, т.е., не более 6-7 м, что при большой мощности просадочной толщи, например, 30-40 м недостаточно, т.к. действие взрывной волны на такой глубине весьма слабое. Способ очень трудоемкий.
Известен способ уплотнения грунта, включающий бурение скважины, укладку в скважину взрывчатого вещества, и уплотнения скважины взрывом. Патент 2346111 С2, Е02D 3/10, 2006.01.
Недостатком этого способа является то, что он не пригоден для изготовления буронабивных свай и закрепления больших массивов грунта, также недостаточная несущая способность сваи, что влечет изготовление дополнительных свай.
Также способ и устройство не позволяют использовать их, для образования свай в водной среде и на плавунах.
Задачей изобретения является повышение несущей способности изготавливаемой сваи на действие вертикальных и горизонтальных нагрузок, а также снижение себестоимости изготовления буронабивной сваи и увеличении объема закрепляемого грунта.
Поставленная задача решается совокупным применением группы изобретений.
Ожидаемый технический результат от использования изобретения заключается в использовании способа, включающего образовании скважины, ввода в скважину удлиненного заряда, подачу в скважину твердеющего состава, и после заполнения скважины твердеющим составом, удлиненный заряд взрывают, после взрыва скважину снова заполняют твердеющим составом. При этом ввод в скважину удлиненного заряда и заполнения скважины твердеющим составом производят возвратно-поступательным перекатыванием в скважине оболочки, причем подачу твердеющего состава производят в полость образованную стенкой скважины и оболочкой, при этом в полость, образованную отогнутыми участками оболочки, подают текучий агент, и оболочку периодически выкатывают из скважины, причем удлиненные заряды размещают между стенкой скважины и оболочкой.
Способ осуществляют устройством, включающим тяговый орган, системы подачи текучего агента и твердеющего состава, камеры по периметру которой закреплен конец оболочки, а второй конец оболочки отогнут и соединен тросом с тяговым органом, при этом в отогнутом участке оболочки размещен удлиненный заряд и его один конец соединен с взрывателем, а второй его конец закреплен на устье скважины.
На чертеже изображено устройство для осуществления способа.
Устройство выполнено из камеры 1, которая сообщена с системой 2 подачи текучего агента, с системой 3 подачи твердеющего состава. Система 2 сообщена с полостью 4. Система 3 подачи твердеющего состава сообщена с полостью 5, которая образована оболочкой 6 и стенкой 7 скважины. Конец 8 оболочки закреплен по периметру камеры 1. Второй конец 9 тросом 10 соединен с тяговым органом 11. Внутри отогнутого участка оболочки 6 размещен удлиненный заряд 12, который электрически соединен через запал и кабель 13 с источником электрического тока 14.
Оболочка 6 в камере 1 уложена шлагами 15. Удлиненный заряд 12 огибает оболочку 6 и анкером 16 закреплен на фунте 17.
Устройство работает следующим образом.
Любым известным способом бурят или прокалывают скважины. Направление скважины может быть: вертикальным, горизонтальным или наклонным.
На устье скважины любым известным способом крепят камеру 1. Системой 2 подачи текучего агента в камеру 1 подают воздух. Оболочка 6 перекатывается по скважине и укладывает на стенку 7 скважины удлиненный заряд 12. После того как вся оболочка 6 раскатается, удлиненный заряд 7 полностью будет уложен на стенке скважины 7.
Системой 3 подачи твердеющего состава в скважину закачивают твердеющий состав который сжимает воздух в оболочке 6 и по зазору, образованному стенкой 7 скважины и оболочкой 6 поступает в скважину.
Тяговым органом 11 оболочку 6 вытягивают из скважины 7. Воздух в оболочке 6 сжимается. После достижения в оболочке 6 заданного давления воздуха, трос 10 ослабляют. Воздух в оболочке 6 расширяется. Оболочка 6 и твердеющий состав разгоняются и ударяют в грунт 17 скважины 7. При этом твердеющий состав втрамбовывается в грунт 17 скважины 7. Оболочка 6 уплотняет твердеющий состав в полости 5. Затем снова тяговым органом 11 снова вытягивают оболочку 6 из скважины 7. Часть троса 10 наматывают на тяговый орган 11. При расслаблении троса 10 с тягового органа 11 отпускают только часть троса 10. Оболочку 6 перемещают возвратно-поступательно на другом уровне скважины 7.
Системой 3 в скважину закачивают новую порцию твердеющего состава.
Таким образом постепенно уплотняют грунт по всей высоте скважины 7.
После уплотнения 8/10 глубины, взрывают удлиненный заряд 12. После этого оболочку 6 полностью выводят из скважины и системой 3 заполняют твердеющим составом. После чего камеру демонтируют с устья скважины.
Пример.
Переувлажненный глинистый грунт имеет следующие характеристики:
- мощность закрепляемого грунта 17-19 м;
- содержание воды 78%;
- длина цементной сваи 40 м.
Состав твердеющего состава:
- песок 63%;
- цемент 18%;
- базальтовая фибра 5%;
- полимер Веселовского «Силор-Ультра» 14%;
- диаметр сваи 300 мм.
Способ осуществляли устройством, изображенным на чертеже.
Способом прокола изготовили отверстие диаметром 300 мм и длиной 25 м, затем в отверстие ввели удлиненный заряд из аммонита общим весом 40 кг. После этого в отверстие закачивали твердеющий состав, который выдержали в полости 25 часов. Прочность сваи была 7,4 МПа. Использование изобретения повышает несущую способность сваи.