СПОСОБ АРМИРОВАНИЯ ГРУНТА
METHOD OF SOIL REINFORCEMENT

Изобретение относится к области строительства, в частности к укреплению грунтовых оснований и может быть использовано при укреплении и обустройстве оснований с любыми грунтовыми условиями, в частности слабых природных оснований и зыбких грунтов, например, при строительстве гидротехнических сооружений в прибрежных водах на глубинах до 2-2,5 метров, а также при строительстве фундаментов в условиях вечной мерзлоты и других зыбких грунтов.
Надежность возводимых фундаментов и различных строительных конструкций во многом определяется жесткостью грунтовых оснований. При возведении различного рода конструкций на структурно-неустойчивых грунтах возможна осадка этих конструкций, которая может происходить из-за сдавливания слабых грунтов. В настоящее время для укрепления и повышения прочности оснований, на которые передается давление от фундамента или любой другой строительной конструкции, применяют различные способы глубинного уплотнения грунтов и устройства свай.
Из уровня техники известен способ упрочнения массива просадочного грунта [а.с. СССР №996623, опубл. 15.02.83], в соответствии с которым бурят скважины с равномерным шагом и заполняют их закрепляющим раствором. Во время заполнения образуют равномерно расположенные по глубине массива упрочненные зоны с увеличенным диаметром путем изменения интенсивности заполнения материала. Данный способ направлен на повышение равнопрочности грунта по глубине, однако не способствует укреплению его в боковом (горизонтальном) направлении.
Известен, например, способ улучшения массива лессового просадочного грунта в основании зданий и сооружений [а.с. №1294910, опубл. 07.03.1987], включающий последовательное уплотнение поверхности грунта, возведение распределительного несущего элемента по площади основания, образование скважин с равномерным шагом, нагнетание закрепляющего раствора, которое ведут с гидроразрывом грунта. В результате гидроразрыва грунта между скважинами образуются трещины. Эти трещины заполняют закрепляющим раствором, что способствует равномерному его распределению по всему массиву, а следовательно, повышению качества закрепления.
По мнению авторов разработки, данная технология позволяет повысить структурную устойчивость грунта, однако известный способ очень трудоемок, поскольку связан с бурением скважин, и требует большого расхода материала.
Известен также способ [RU 2276710, опубл. 20.05.2006], по которому для возведения фундамента резервуара предварительно проводят работы по укреплению грунтового основания, для чего скважины бурят для вертикальных и наклонных свай и устанавливают в них арматурные каркасы. После этого нагнетают бетонную смесь в наклонные и вертикальные скважины. Этот способ мало пригоден для использования на зыбких, в том числе и илистых грунтах, где из-за водной насыщенности усиление грунта должно быть выполнено на большую глубину.
Известен способ укрепления водонасыщенных грунтов в основаниях зданий и сооружений по патенту РФ №2204650 (опубл. 20.05.2003), в соответствии с которым укрепление массива водонасыщенного грунта в основаниях зданий и сооружений включает формирование законтурного ряда упрочняющих грунт элементов по периметру укрепляемого массива, создание каркасно-ячеистой структуры из упрочняющих грунт элементов в зоне укрепляемого массива и образование на его поверхности распределительного несущего элемента. Формирование упрочняющих грунт элементов выполняют путем нагнетания в образуемые в грунте скважины твердеющего материала под давлением. При укреплении массива иловатого водонасыщенного грунта формирование упрочняющих грунт элементов в законтурном ряду ведут с образованием противофильтрационного экрана с разомкнутым в зоне отвода воды контуром путем направленной подачи в скважины законтурного ряда твердеющего раствора по продольной оси экрана с одновременным направленным естественным и/или принудительным отводом воды, а в зоне укрепляемого массива заполнение скважин твердеющим материалом ведут по участкам, в пределах которых образуют ряды скважин с расположением рядов параллельно разомкнутому участку контура экрана и перпендикулярно ему, начиная с ряда, наиболее удаленного от разомкнутого участка контура экрана, также с одновременным направленным естественным и/или принудительным отводом воды, при этом скважины выполняют на всю глубину формируемых упрочняющих грунт элементов, соответствующую толщине укрепляемого массива водонасыщенного грунта. Данный известный способ направлен на повышение несущей способности водонасыщенных грунтов в основаниях промышленных сооружений.
Недостатком известного решения является его очень высокая технологическая сложность. Кроме того, как и в вышеперечисленных способах, здесь выполняют бурение скважин, для чего требуется специальное оборудование; каждая скважина должна быть подвергнута определенной технологической обработке, что регламентировано техническими условиями. Скважины должны быть выполнены на всю глубину формируемых упрочняющих грунт элементов, соответствующую толщине укрепляемого массива водонасыщенного грунта, что при указанных грунтах предполагает бурение на достаточно большую глубину и, следовательно, большого расхода бетона. Все это приводит к увеличению длительности работ по укреплению грунтового основания.
Также следует отметить, что для реализации в условиях Северо-Запада, где несжимаемый слабый слой грунта расположен, как правило, на достаточно большой глубине, все перечисленные технические решения при применении их на больших толщах слабых грунтов являются высокотрудоемкими и материалоемкими.
Необходимую прочность уплотнения грунта в различных грунтовых условиях можно достичь использованием свай, размещаемых под разным углом к горизонтальной поверхности железобетонного оголовка свай. Например, для укрепления грунтового основания при возведении свайного фундамента на основе вертикальных и наклонных свай по авторскому свидетельству СССР №1596023 (опубл. 30.09.1990) вертикальные сваи размещают в грунте в крайнем со стороны действия горизонтальной нагрузки ряду, а наклонные сваи устанавливают в остальных рядах с наклоном в одну сторону к ряду вертикальных свай. По мере удаления от ряда вертикальных свай в каждом следующем ряду увеличивают угол наклона наклонных свай. Однако при таком размещении свай, когда наклон свай выполняют только в одну сторону к ряду вертикальных свай, векторы сил наклонных свай направлены в одну сторону, что приводит к невысокой степени уплотнения грунта, а также и к неравномерному сдавливанию грунтов, к непрочности и возможному перекосу возводимой на таком основании конструкции.
Технической задачей заявляемого технического решения является создание способа армирования грунта, обеспечивающего уплотнение грунта с требуемой прочностью, а также в расширении арсенала технических средств и технологических приемов армирования грунтов.
Технический результат, достигаемый при решении задачи, состоит в повышении прочности грунтового основания за счет устройства свай и увеличения площади их опирания на грунт с одновременным снижением трудоемкости и материалоемкости. В сущности предлагается создать технологию по применению трубно-столбовой опалубки при строительстве гидротехнических сооружений (пирсов, причалов) в прибрежных водах, укреплении береговой полосы, а также технологию армирования зыбких опорных грунтов на суше.
Особенность заявляемого технического решения связана со способом армирования грунтов путем размещения свай в грунте, верхние оголовки которых объединяют железобетонной опорой, при этом перед размещением свай определяют контур опалубки железобетонной опоры, в границах которого размещают набор из, по меньшей мере, трех продольных полых элементов, представляющих собой трубно-столбовую опалубку, с погружением их в грунт, или зон армирования на суше, при этом сваи размещают в каждом из упомянутых продольных полых элементов (зон) под разными углами к поверхности указанной опоры и с выходом каждой сваи за границу нижнего периметра соответствующего продольного полого элемента с образованием векторов сил, компенсирующих нагрузку на указанные грунты; по сформированному контуру собирают опалубку, охватывающую верхние оголовки свай с последующим заполнением упомянутых продольных полых элементов набора бетоном и формированием армированной железобетонной опоры. Размещение свай под разными углами к поверхности железобетонной опоры с выходом в грунт каждой сваи за границу нижнего периметра соответствующего продольного полого элемента увеличивает площадь их опирания на грунт и создает такую пространственную ориентированность свай, которая препятствует горизонтальному перемещению грунта и уменьшает осадку основания.
При выполнении армирования грунтов на суше определяется достаточное количество зон армирования, которые формируются погружением в грунт под разными углами достаточного количества свай. Верхние оголовки свай соединяются в общую конструкцию путем формирования объединяющей армированной железобетонной опоры (плиты).
Целесообразно при строительстве гидротехнических сооружений для снижения материалоемкости продольный полый элемент выполнить из металлической или полимерной тары, а сваи выполнить из металлопроката.
При выполнении армирования грунтов на суше могут быть использованы любые технологически применимые сваи в зависимости от решаемых технологических задач.
Кроме того, для повышения прочности грунтового основания количество свай, размещаемых в каждом продольном полом элементе или в зоне армирования, определяют в зависимости от типа грунта.
Полученное в результате осуществления заявленного технического решения грунтовое основание обладает повышенной прочностью за счет устройства свай, по сути, хаотично разветвленных, размещаемых под разными углами к горизонтальной поверхности железобетонной опоры, что способствует образованию разнонаправленных векторов сил, компенсирующих нагрузку на грунт, увеличивает площадь их опирания на грунт и способствует созданию прочного устойчивого грунтового массива. При таком уплотнении грунта обеспечивается совместная работа каждого продольного полого элемента и свай, размещаемых под разными углами к горизонту и выходящих за границу нижнего периметра соответствующего продольного полого элемента. Нагрузка передается не только на продольные полые элементы, но и всем сваям и уравновешивается пассивным давлением грунта, что дает возможность получить необходимую прочность уплотненного грунта в различных грунтовых условиях.
Количество наборов полых продольных элементов и расстояние между ними при строительстве гидротехнических сооружений, а также количество зон армирования грунтов на суше определяют в зависимости от вида грунтового основания и вида возводимой строительной конструкции.
Таким образом, технический результат заявляемого технического решения достигается новой совокупностью существенных признаков, как вновь введенных, так и известных, следовательно, заявляемый способ соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
Сущность заявляемого технического решения поясняется фигурами, на которых представлены:
фиг.1 - показан этап армирования грунта - определение контура опалубки железобетонной опоры, в границах которого размещен набор, имеющий в своем составе шесть продольных полых элементов (а), девять продольных полых элементов (б), семь продольных полых элементов (в);
фиг.2 - представлен продольный профиль укрепляемого грунтового основания с устроенными в нем продольными полыми элементами и с размещенными в указанных продольных полых элементах сваями;
фиг.3 - представлен продольный профиль укрепляемого грунтового основания на суше, показаны зоны армирования опорных грунтов.
На фигурах 1-3 обозначены:
1 - контур опалубки железобетонной опоры, контур выполнен в виде
- фиг.1а - равнобедренного треугольника,
- фиг.1б - квадрата,
- фиг.1в - окружности;
2 - железобетонная опора;
3 - продольный полый элемент (трубно-столбовая опалубка);
4 - сваи;
5 - зоны армирования опорного грунта на суше.
Способ армирования грунтового основания осуществляют следующим образом. На грунтовом основании определяют контур 1 (фиг.1а, б, в) опалубки будущей железобетонной опоры 2 (фиг.2). В границах контура 1 размещают набор из продольных полых элементов 3. Каждый продольный полый элемент 3, погружаемый в грунт на небольшую глубину (достаточно глубины илистого слоя), может быть выполнен с использованием металлической тары (например, бочки диаметром 0,6 м и высотой 0,9 м) или тары из полимерных материалов. Продольные полые элементы 3 скрепляют между собой, например, скобой (на чертежах не показано). Затем в каждом продольном полом элементе 3 (фиг.2) размещают сваи 4 на глубину, определяемую и зависящую от свойств грунта. В качестве свай 4 целесообразно использовать сортовой прокат, например стальной уголок с полкой 70 мм. Погружение свай 4 выполняют с применением портативного пневмоэлектровиброударного оборудования (на чертеже не показано).
Погружаемые в грунт сваи 4 располагают разнонаправленно под разными углами к горизонту поверхности. Количество свай 4, используемых на единицу площади, т.е. на один продольный полый элемент 3, может меняться в зависимости от характера донных/поверхностных грунтов и определяется текстурой фунтов (слоистая, сложная и др.). Каждую сваю 4 забивают таким образом, что за границу нижнего периметра продольного полого элемента 3 (фиг.2) она входит в грунт на глубину не менее 1,5 м. Предлагаемое формирование свай обеспечивает их пространственную ориентированность, уподобляемую растениям с разнонаправленным расположением корневой системы, благодаря чему создается грунтовое основание повышенной прочности.
Далее по сформированному контуру 1 собирают опалубку железобетонной опоры 2, охватывающую верхние оголовки свай 4, заполняют продольные полые элементы 3 с размещенными в них сваями 4 бетоном и формируют железобетонную опору 2. Для повышения прочности опоры ее дополнительно армируют горизонтальной арматурой (на чертеже не показано), имеющей форму контура опалубки. Верхние надземные / надводные части свай 4 становятся частью армированной железобетонной опоры 2 (фиг.2), которая связывает все подготовленное свайное поле в единую опорную конструкцию, гарантирующую смонтированную на ней железобетонную армированную опору от смещений, погружений, отклонения от вертикальных осей.
При выполнении армирования грунтов на суше (фиг.5), определяется достаточное количество зон 5 армирования опорного грунта на суше, которые формируются погружением в грунт под разными углами достаточного количества свай 4. Верхние оголовки свай 4 соединяются в общую конструкцию путем формирования объединяющей армированной железобетонной опоры 2, выполненной, например, в виде монолитной плиты.
Предлагаемый к реализации способ может быть использован при укреплении и обустройстве оснований с любыми грунтовыми условиями, в том числе на слабых водонасыщенных грунтах, при возведении, например, сооружений в прибрежных водах на глубинах до 2-2,5 метров, укреплении береговой полосы, а также укреплении опорных грунтов в условиях вечной мерзлоты и других слабых зыбких опорных грунтов.
Пример.
При возведении пирса для укрепления грунтового основания размечали контур 1 (фиг.1а) опалубки железобетонной опоры 2 и в илистое дно погружали продольные полые элементы 3, скрепляя их между собой и формируя, таким образом, трубно-столбовую опалубку. В качестве продольных полых элементов 3 опалубки использовали 6 пластиковых труб с диаметром 0,6 м, размещая их по периметру треугольника со стороной 1,8 м. Из внутренней полости каждого продольного полого элемента 3 выкачивали воду. Затем в каждый продольный полый элемент 3 забивали сваи 4 (оптимальное количество свай 4 для каждого элемента составило 4), причем глубина забивки определялась глубиной донного грунта. Затем каждый продольный полый элемент 3 с размещенными в нем сваями 4 заполняли бетоном. Для дополнительного укрепления грунтового основания и возводимой строительной конструкции при формировании железобетонной опоры 2 выпуски вертикальных оголовков свай 4 объединяли опалубкой, выполняли прошивку дополнительной горизонтальной арматурой (на чертеже не показано) в надводной части, при этом форма арматуры повторяла форму контура опалубки (в примере реализации - равнобедренный треугольник).
Наличие в укрепляемом грунтовом основании продольных полых элементов 3, упрочненных сваями 4, которые размещают не только по всей длине продольного полого элемента 3, но и забивают на глубину донных грунтов с выходом каждой сваи 4 за периметр продольного полого элемента 3, повышает несущую способность грунта благодаря созданию жесткой и прочной структуры.
Достоинством предлагаемого технического решения является то, что обеспечивается устойчивость сооружений, возводимых на армированных предлагаемым способом опорных грунтах, так как даже при неизбежной деформации дна, нагрузка на грунтовое основание будет равномерно распределена, даст возможность избежать просадки фундаментов или перекоса конструкций и обеспечит долговечность этих сооружений.
Предлагаемый способ армирования обладает таким важным преимуществом, как возможность его использования практически для любых грунтовых условий; строительные конструкции, возводимые на опорных грунтах, укрепленных предлагаемым способом, обладают высокой степенью устойчивости, большей несущей способностью. Особенно целесообразно его использовать в условиях Северо-Запада, где прочные грунты залегают на большой глубине.