СПОСОБ УКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТА
METHOD FOR REINFORCEMENT OF SOIL

Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к строительству, к способам укрепления грунтов под фундаменты, а также к способам формирования свай.
Уровень техники.
Известен способ укрепления грунта, включающий образование скважины, размещение в ней растягивающейся герметичной оболочки, закачивание в эту оболочку гидравлической среды и создание давления этой среды (см. авторское свидетельство на изобретение СССР № 50096, 13.05.35).
Наиболее близким техническим решением из известных к предлагаемому изобретению является способ укрепления грунта, включающий образование скважины, размещение в ней растягивающейся герметичной оболочки, подачу уплотняющего вещества в зазор между стенками скважины и герметичной оболочкой, закачивание в эту оболочку гидравлической среды и создание давления этой среды (см. патент США № 3386251, кл.61-35, 23.05.66).
Оба рассмотренных способа не позволяют в достаточной степени укрепить грунт под фундаменты для современного строительства. Это объясняется тем, что укрепляющее воздействие на грунт производится только один раз и степень обжатия грунтового массива зависит от прочностных и упругих свойств герметичной оболочки. Опыт показывает, что рациональный диапазон увеличения диаметра герметичной оболочки при укреплении грунта находится в пределах 1,2…1,4. Можно увеличивать диаметр герметичной оболочки, закачивая в эту оболочку гидравлическую среду, в 2 раза, но при этом существенно падает ее долговечность при многократном использовании. При достижимом в настоящее время увеличении диаметра герметичной оболочки трудно получить требуемой степени укрепления грунтов под фундаменты для современного строительства.
Сведения, раскрывающие сущность изобретения.
Задачей заявляемого изобретения является разработка способа укрепления грунтов под фундаменты для современного строительства.
Эта задача решается тем, что в способе укрепления грунта, включающем образование скважины, размещение в ней растягивающейся герметичной оболочки, подачу уплотняющего вещества в зазор между стенками скважины и герметичной оболочкой, закачивание в эту оболочку гидравлической среды и создание давления этой среды, после создания давления гидравлической среды в герметичной оболочке выполняют сброс этого давления, в образовавшийся зазор между стенками частично укрепленной скважины и герметичной оболочкой дополнительно подают уплотняющее вещество, затем цикл создания давления гидравлической среды в герметичной оболочке, его сброса и дополнительной подачи уплотняющего вещества повторяют.
Именно за счет того, что после создания давления гидравлической среды в герметичной оболочке выполняют его сброс, а затем цикл дополнительной подачи уплотняющего вещества, создания давления гидравлической среды в герметичной оболочке и его сброса повторяют и получают требуемую степень укрепления грунтов под фундаменты для современного строительства.
Количество циклов создания и сброса давления гидравлической среды в герметичной оболочке и дополнительной подачи уплотняющего вещества можно определить по зависимости
o
Δ
o
n=(r/r)(P(1-Sinφ)/(γZ(1+Sinφ))-1),
o
Δ
о
где n - количество циклов создания и сброса давления гидравлической среды в герметичной оболочке, r и r - начальный радиус и конструктивный допуск расширения герметичной оболочки, Р - требуемое давление укрепления, γ и φ - плотность и угол внутреннего трения укрепляемого грунта, Z - глубина размещения герметичной оболочки.
В скважину выше герметичной оболочки целесообразно поместить обсадную трубу, соединенную с источником уплотняющего вещества.
После укрепления грунта в стволе скважины на нижнем горизонте герметичную оболочку вместе с обсадной трубой можно поднять на новый верхний горизонт, где также выполнить укрепление грунта. При этом может быть получена заданная степень укрепления грунта на разных его уровнях.
o
После каждого сброса давления герметичную оболочку можно поднимать на величину, находящуюся в пределах (0,5…3)r.
При подаче уплотняющего вещества в зазор между стенками скважины и герметичной оболочкой целесообразно обеспечить его вибрацию.
Уплотняющее вещество можно подавать в зазор посредством воздуха или воды под давлением.
Растягивающуюся герметичную оболочку можно выполнить в виде полого цилиндра, в центральное отверстие которого можно поместить перфорированную трубу, через которую в уплотняющее вещество можно нагнетать закрепляющий раствор.
В зазор между стенками скважины и герметичной оболочкой возможно поместить, по меньшей мере, две перфорированные трубы, равномерно расположенные по периметру этого зазора.
Верхнюю часть растягивающейся герметичной оболочки можно поместить внутри обсадной трубы.
Верхнюю часть растягивающейся герметичной оболочки можно выполнить конической.
Краткое описание чертежей.
На фиг.1 изображен продольный разрез скважины с растягивающейся герметичной оболочкой и уплотняющим веществом в зазоре между стенками скважины и герметичной оболочкой;
на фиг.2 показан момент закачивания в оболочку гидравлической среды и создания давления этой среды;
на фиг.3 показан момент сброса давления в герметичной оболочке и дополнительной подачи уплотняющего вещества в образовавшийся зазор между стенками частично укрепленной скважины и герметичной оболочкой;
на фиг.4 показано состояние, когда в герметичную оболочку вновь закачивают гидравлическую среду и создают давление этой среды;
на фиг.5 показан процесс повторения циклов укрепления грунта;
на фиг.6 изображен продольный разрез скважины в случае использования обсадной трубы;
на фиг.7 и 8 показан процесс укрепления грунта на разных горизонтах;
на фиг.9 показан процесс укрепления грунта с подъемом герметичной оболочкой в каждом цикле укрепления грунта;
на фиг.10 и 11 изображены продольные разрезы скважин в случае использования перфорированных труб;
на фиг.12 показан разрез а-а на фиг.10;
на фиг.13 и 14 показаны варианты расположения и выполнения растягивающейся герметичной оболочки.
Осуществление изобретения.
o
o
Δ
1
Способ укрепления грунта включает образование скважины 1 (см. фиг.1), размещение в ней растягивающейся герметичной оболочки 2 с начальным радиусом r, подачу уплотняющего вещества 3 в зазор между стенками скважины и герметичной оболочкой в направлении стрелок 4, закачивание в эту оболочку 2 гидравлической среды 5 (см. фиг.2) в направлении стрелок 6 и создание давления этой среды. Оболочка 2 воспринимает давление гидравлической среды 5 и через уплотняющее вещество 3 передает его на стенки скважины, что приводит к увеличению радиуса r оболочки 2 на величину первого расширения r и увеличению диаметра скважины. При этом уплотняющее вещество вдавливается в стенки скважины и образуется зона 7-8 первичного укрепления, включающая слой частично укрепленного грунта 7 и первичный слой уплотняющего вещества 8. Однако степень расширения растягивающейся оболочки 2 ограничена, что при однократном воздействии не позволяет получить требуемой степени укрепления грунтов под фундаменты для современного строительства, например высотного строительства.
Δ
2
После создания давления в герметичной оболочке 2 (см. фиг.3) выполняют сброс давления гидравлической среды по стрелке 9. Оболочка 2 сжимается. В образовавшийся зазор между стенками первично укрепленной скважины и герметичной оболочкой 2 дополнительно подают уплотняющее вещество 10 по стрелкам 11. Затем в герметичной оболочке 2 (см. фиг.4) вновь создают давление гидравлической среды 5. Оболочка 2 вновь увеличивается на величину второго расширения r и увеличивает диаметр скважины. При этом увеличивается как толщина слоя укрепленного уплотняющего вещества 8-12, так и толщина укрепленного слоя грунта 13. Увеличивается также и абсолютное давление в укрепленном слое грунта. Таким образом, степень укрепления грунта увеличивается.
Δ
i
При необходимости получения более высокой степени укрепления грунта цикл сброса давления гидравлической среды, дополнительной подачи уплотняющего вещества и создания давления гидравлической среды 5 (см. фиг.5) повторяют. В этом случае продолжает увеличиваться как толщина слоя укрепленного уплотняющего вещества 8-12-14, так и толщина укрепленного слоя грунта 15. При этом приращение радиуса расширения оболочки r с каждым циклом создания в оболочке давления уменьшается.
Циклы укрепления грунта повторяют до прекращения поглощения скважиной 1 уплотняющего вещества 3 при необходимом значении давления гидравлической среды 5.
Количество циклов создания и сброса давления гидравлической среды в герметичной оболочке и дополнительной подачи уплотняющего вещества можно определить по зависимости
o
Δ
o
n=(r/r)(P(1-Sinφ)/(γZ(1+Sinφ))-1),
o
Δ
о
где n - количество циклов создания и сброса давления гидравлической среды в герметичной оболочке, r и r - начальный радиус и конструктивный допуск расширения герметичной оболочки, Р - требуемое давление укрепления, γ и φ - плотность и угол внутреннего трения укрепляемого грунта, Z - глубина размещения герметичной оболочки.
Примеры расчетов количества циклов создания и сброса давления гидравлической среды в герметичной оболочке для различных грунтов, параметров герметичной оболочки и требуемого давления укрепления на различных глубинах приведены в таблице.
Количество циклов укрепления грунта
Параметры
Обозначение
Размерность
Пример 1
Пример 2
Пример 3
Материал
Песок средней крупности
Супесь
Суглинок
Параметры оболочки
r<sub>o</sub>/<sub>Δ</sub>r
3
4
5
Требуемое давление укрепления
Р<sub>о</sub>
атм (кг/см<sup>2</sup>)
4
10
20
Плотность
γ
кг/см<sup>3</sup>
0,002
0,0021
0,0022
Глубина
Z
см
310
500
600
Угол внутреннего трения уплотняющего вещества
φ
градус
36
22
13
Sinφ
0,588
0,375
0,225
Количество циклов укрепления грунта требуемое
N
раз
2,0
13,3
42,9
Из таблицы видно, что для получения требуемой степени укрепления грунтов под фундаменты для современного строительства могут потребоваться два и более цикла укрепления грунта - n.
В скважину 1 выше герметичной оболочки 2 целесообразно поместить обсадную трубу 16 (см. фиг.6), соединенную с источником уплотняющего вещества 3.
Для создания толстого слоя укрепленного грунта, после укрепления в стволе скважины на нижнем горизонте А (см. фиг.7) герметичную оболочку вместе с обсадной трубой 16 поднимают на новый верхний горизонт Б, затем на уровень В (см. фиг.8), где также выполняют укрепление грунта. При этом может быть получена разная заданная степень укрепления слоев 15 и 17 грунта на разных его уровнях.
o
Вариантом создания толстого слоя укрепленного грунта является подъем герметичной оболочки 2 (см. фиг.9) на величину h после каждого сброса давления в оболочке 2 в циклах укрепления грунта. При этом уплотняющее вещество укрепляется по всей глубине скважины и образует укрепленные слои 12а и 14а. Величина подъема герметичной оболочки 2 в зависимости от характеристик укрепляемого грунта, уплотняющего вещества и параметров оболочки может находиться в пределах h=(0,5…3)r.
В качестве уплотняющего вещества 3 могут использоваться песок, гравий, щебень, галька и их смеси. В состав уплотняющего вещества 3 могут включаться вяжущие вещества.
При подаче уплотняющего вещества 3 в зазор между стенками скважины 1 и герметичной оболочкой 2 целесообразно обеспечить его вибрацию.
Уплотняющее вещество 3 можно подавать в упомянутый зазор посредством воздуха или воды под давлением.
Растягивающуюся герметичную оболочку можно выполнить в виде полого цилиндра 18 (см. фиг.10), в центральное отверстие которого можно поместить перфорированную трубу 19, через которую в уплотняющее вещество можно нагнетать закрепляющий раствор.
В зазор между стенками скважины 1 (см. фиг.11 и 12) и герметичной оболочкой 2 помещены перфорированные трубы 20, равномерно расположенные по периметру этого зазора. Таких перфорированных труб 20 может быть две и более.
После укрепления грунта в стволе скважины 1 и извлечения герметичной оболочки 2 (см. фиг.11) или 18 (см. фиг.10) в скважину через перфорированные трубы 20 или 19 подается закрепляющий раствор, который через отверстия перфорированных труб поступает в поры уплотняющего вещества 3. Происходит инъекция с пропиткой уплотняющего вещества 3 закрепляющим раствором. В качестве закрепляющего раствора могут использоваться мелкодисперсный цементный раствор, силикат натрия, синтетические смолы и др. Затвердевание закрепляющего раствора приводит к образованию свай большой несущей способности, в которых перфорированные трубы 20 и 19 являются армирующими элементами.
Верхнюю часть растягивающейся герметичной оболочки 2 (см. фиг.13) можно поместить внутри обсадной трубы 16.
Кроме того, верхнюю часть растягивающейся герметичной оболочки 2 (см. фиг.14) можно выполнить в виде конуса 21.
При создании давления в оболочке 2, размещении ее части внутри обсадной трубы 16, а также выполнении ее части в виде конуса 21 происходит обжатие уплотняющего вещества 3 в верхней части герметичной оболочки 2. Это препятствует движению уплотняющего вещества 3 вверх.