СПОСОБ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ПЕРЕУВЛАЖНЕННЫХ ГЛИНИСТЫХ И ПРОСАДОЧНЫХ ГРУНТОВ
METHOD FOR FIXATION OF OVERWETTED CLAYEY AND COLLAPSING SOILS

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано 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.
Из технического уровня известен способ закрепления слабых грунтов, включающий создание цилиндрической полости в поверхности, укрепление стенок цилиндрической полости 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, снижении затрат, экономии энергии и технологичности способа [Пат. №2256028 на изобретение, опубл. 10.07.2005. 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.
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 (Пат. №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 заплывет грунтом и остатками бетона, то выполнение очередного элемента вверх практически будет невозможно.
Кроме того, применяя несколько способов закрепления при сооружении каждой сваи, время выполнения работ значительно возрастает из-за многократного монтажа и демонтажа оборудования и способ становится нерациональным.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков и выбранным в качестве прототипа является «Способ усиления оснований симметрично нагруженных фундаментов» [Пат. RU №20269926. опубл. 01.20.1995].
Повышение эффективности уплотнения основания 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 применения 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.
Задачей изобретения является разработка технологичного способа, позволяющего выполнять закрепление с нулевой отметки поверхности земли до глубины залегания слабых просадочных грунтов, требующих закрепления ниже подошвы сооружаемой сваи.
Техническими результатами, которые могут быть получены при реализации заявляемого способа, являются:
- технологичность;
- возможность закрепления слабых просадочных грунтов, лежащих ниже подошвы сооружаемой сваи;
- экономия энергии;
- сокращение длительности процесса закрепления;
- повышение производительности труда;
- расширение функциональных возможностей.
Решение указанной задачи и достижение нижеперечисленных результатов стало возможным благодаря тому, что в известном способе закрепления переувлажненных глинистых и просадочных грунтов, включающем выполнение в переувлажненных грунтах вертикальной или наклонной полости и формирование в ней сваи путем заполнения этой полости несвязным наполнителем с последующим его втрамбовыванием и уплотнением, полость выполняют вибропогружением шаблона, в качестве заполнителя в полость вносят водопоглощающий субстрат в виде песчано-цементной смеси, который отверждают водой, содержащейся в переувлажненном грунте, при этом количество цемента в субстрате должно быть адекватно свободной воде в переувлажненном глинистом грунте, обеспечивающей полную гидратацию цемента в субстрате, при этом диаметр сваи и несущую способность ее регулируют временем вибротрамбования и объемом втрамбованного субстрата.
В частном примере использования способа для обеспечения возможности закрепления слабых просадочных грунтов, расположенных ниже подошвы формируемой сваи, до отверждения субстрата осуществляют инъектирование твердеющих растворов через материал сваи путем погружения инъектора и нагнетания закрепляющего раствора за время меньшее, чем время полной гидратации в ней цемента без дополнительной герметизации инъектора в грунте.
Изобретательским шагом является достижение совмещения операций вибропогружения шаблона и подачи на забой субстрата в виде песчано-цементной смеси, отверждение которой происходит за счет воды, содержащейся в переувлажненном грунте, с последующим трамбованием ее в грунт.
Достигнутое совмещение операций способа и выполнение их по непрерывному циклу позволяет полностью механизировать заявляемый способ, повысить производительность труда и снизить энергозатраты за счет использования энергосберегающей вибротехники.
Способ позволяет регулировать величину диаметра сваи продолжительностью вибрирования и объемом втрамбованной смеси. Количество цемента в субстрате составляет 3,8-4 объема свободной воды в переувлажненных грунтах, что обеспечивает 100% связывание свободной воды в грунте. Прочность материала сваи достигает 3,6 МПа.
Подача инъектора в определенный период времени через материал формирующейся сваи позволяет инъектировать твердеющий раствор в слабые просадочные породы грунтов ниже подошвы сваи без дополнительной герметизации пространства между инъектором и материалом сваи, обеспечивает совмещение операций способа и повышает технологичность процесса.
Заявляемый способ иллюстрирует следующие чертежи.
Фиг.1. Показано закрепление водонасыщенных грунтов с одновременной подачей виброшаблона и наполнителя в полость.
Фиг.2. Показана подача инъектора и инъектирование через материал формирующейся цементо-грунтовой сваи.
Заявляемый способ закрепления переувлажненных глинистых грунтов осуществляют следующим образом.
В переувлажненный глинистый грунт 1 (фиг.1) погружают шаблон 2 вибратором 3 и сооружают вертикальную или наклонную полость 4. Одновременно на забой сооружаемой полости 4 подают субстрат песчано-цементной смеси 5. Субстрат вибровтрамбовывают в переувлажненный глинистый грунт 1 за один или несколько проходов шаблона. Вода, присутствующая в этом грунте, отверждает субстрат с формированием сваи 6.
Величину диаметра сваи регулируют продолжительностью вибровтрамбовывания субстрата и объемом втрамбованного субстрата. Количество цемента должно обеспечивать полное связывание воды, содержащейся в переувлажненном глинистом грунте.
При наличии слабых просадочных грунтов 7 ниже подошвы формирующейся сваи (фиг.2) через материал этой сваи с помощью вибратора 3 забивают инъектор 8 на проектную глубину и, поднимая инъектор 8 с теряемым наконечником, одновременно нагнетают твердеющий раствор 9. Выполнение всех операций по инъектированию осуществляют в течение 3-4 часов, что составляет 50-70% от времени окончания гидратации цемента, при котором идет процесс кристаллизации, а сам грунтово-цементный материал сваи высокой вязкости и образивности еще находится в переходном состоянии и не позволяет твердеющему раствору выйти по контакту 10 инъектора 8 с материалом сваи 6 на поверхность.
Практическую применимость заявляемого способа показывают следующие примеры его конкретного исполнения.
Пример 1
Переувлажненный глинистый грунт имеет следующие характеристики:
- мощность закрепляемого грунта - 10,2 м;
- содержание воды - 90% в верхних замоченных суглинках. В переувлажненный глинистый грунт погружают шаблон виброустановкой и сооружают вертикальную полость. Одновременно на забой через шаблон сооружаемой полости подают субстрат песчано-цементной смеси и вибровтрамбовывают его в глинистый грунт.
Состав субстрата:
песок - 80%
цемент - 20%
- диаметр формируемой сваи - 300-320 мм
- время формирования сваи - 1,5 часа
- длина грунто-цементной сваи - 3,5-4,1 м
- мощность просадочного грунта, закрепляемого инъекцией, - 6,1-6,7 м
Прочность материала сваи достигает 3,6 МПа.
Пример 2
Переувлажненный глинистый грунт имеет следующие характеристики:
- мощность закрепляемого грунта - 6,9 м
- содержание воды - 78%
- длина грунто-цементной сваи - 2,5-2,6 м
- мощность слоя слабого и просадочного грунта, закрепляемого инъекцией, - 4,3 м
В переувлажненный глинистый грунт погружают шаблон виброустановкой и сооружают наклонную под углом 9° полость. Одновременно на забой сооружаемой полости подают субстрат песчано-цементной смеси и вибровтрамбовывают его в глинистый грунт.
Состав субстрата:
песок - 82%
цемент - 18%
- диаметр формируемой сваи 250-300 мм
- время формирования сваи - 1,2 часа
Прочность материала сваи достигает 3,6 МПа.
Как видно из вышеприведенных примеров 1 и 2, заявляемый способ позволяет реализовать поставленную задачу и обеспечить технологичность за счет использования одного комплекса оборудования, достичь экономии энергии и сократить длительность процесса за счет применения вибротехники, повысить производительность и расширить функциональные возможности за счет закрепления слабых просадочных грунтов, лежащих ниже подошвы сооружаемой сваи, одним комплексом оборудования, меняя только рабочий снаряд и закрепляющий состав. Для сооружения грунто-цементной сваи используют рабочий снаряд типа шаблона разного диаметра и длины, закрепляющий состав на основе сухой цементо-песчаной смеси, а для инъекционного закрепления - инъектор и жидкий цементный раствор.