Устройство для уплотнения грунта и грунтовое основание с техногенным каркасом

Предлагаемые технические решения относятся к области строительства, а именно - к конструкции уплотненного грунтового основания и используемым при его сооружении средствам уплотнения грунта в процессе возведения зданий и сооружений или при ремонте и реконструкции уже существующих зданий и сооружений на дисперсных связанных или несвязанных грунтах, а также на насыпных (техногенных) грунтах и оползневых склонах. Технической задачей является расширение функциональных возможностей за счет уплотнения не только дисперсных связанных грунтов - глин, суглинков, супесей, но и несвязанных дисперсных грунтов - песков, а также насыпных (техногенных) грунтов за счет режима нагнетания раствора в грунт при выборе качественной характеристики раствора, обеспечивающей его высокую проникающую способность, а также - использования средств, обеспечивающих создание массива грунта армированного единым каркасом из затвердевшего раствора. При этом обеспечивается повышение несущей способности грунта, эффективное закрепление в грунтовом едином массиве оползневых склонов с образованием в нем каркаса, снижение материалоемкости на технологический процесс, а также повышение темпов производства работ. Достигается это тем, что устройство для уплотнения грунта выполнено в виде инъекторов-труб для нагнетания цементного раствора, размещаемых с шагом 2,0-4,0 м в массиве грунта через или под пригруз в виде расположенной на дисперсном грунте бетонной плиты с перфорированной боковой поверхностью, отверстия которой перекрыты одновременно разрушаемыми при давлении 3,0-20,0 атм. гидроразрыва грунта заглушками. Заглушки выполнены в виде перекрывающей отверстия перфорации ленты,

расположенной по спирали или в виде колец. Лента выполнена с липким слоем, обращенным к перфорированной трубе. Заглушки образованы несколькими слоями ленты, количество которых определено заданной величиной давления гидроразрыва в грунте. Перфорированная труба снабжена не разрушаемой при давлении гидроразрыва нижней торцевой заглушкой. В грунтовом основании, имеющим техногенный каркас это достигается тем, что оно выполнено с использованием описанного выше устройства для уплотнения грунта и представляет собой размещенный под пригрузом в виде бетонной плиты массив грунта, пронизанный инъекторами в виде труб и образующий техногенный каркас расположенным в трещинах гидроразрыва грунта затвердевшим цементным раствором. Затвердевший цементный раствор вокруг инъекторов расположен в плане с взаимным проникновением в концентрические зоны вокруг соседних инъекторов.

Предлагаемые технические решения относятся к области строительства, а именно - к конструкции уплотненного грунтового основания и используемым при его сооружении средствам уплотнения грунта в процессе возведения зданий и сооружений или при ремонте и реконструкции уже существующих зданий и сооружений на дисперсных связанных или несвязанных грунтах, а также на насыпных (техногенных) грунтах и оползневых склонах.

Наиболее близкими из известных являются устройство для уплотнения связанных дисперсных грунтов для создания оснований зданий и сооружений путем подачи твердеющего раствора в виде песчано-цементной смеси, в котором подачу раствора осуществляют при давлении 2-10 атм. через расположенные с шагом 2-3 м инъекторы в виде перфорированных труб, погруженных на глубину активной зоны, в результате чего образуется уплотненное грунтовое основание, (RU №2059044 C1, E 02 D 3/12, 1996 г.).

Известные технические решения обеспечивают уплотнение грунта на дисперсных связанных грунтах, что ограничивает область их применения, а также использование цементно-песчаной смеси снижает проникающую способность раствора, что отрицательно отражается на несущей способности уплотненного грунтового основания.

Технической задачей является расширение функциональных возможностей за счет уплотнения не только дисперсных связанных грунтов - глин, суглинков, супесей, но и несвязанных дисперсных грунтов - песков, а также насыпных (техногенных) грунтов за счет режима нагнетания раствора

в грунт при выборе качественной характеристики раствора, обеспечивающей его высокую проникающую способность, а также - использования средств, обеспечивающих создание массива грунта армированного единым каркасом из затвердевшего раствора. При этом обеспечивается повышение несущей способности грунта, эффективное закрепление в грунтовом едином массиве оползневых склонов с образованием в нем каркаса, снижение материалоемкости на технологический процесс, а также повышение темпов производства работ.

Достигается это тем, что устройство для уплотнения грунта выполнено в виде инъекторов-труб для нагнетания цементного раствора, размещаемых с шагом 2,0-4,0 м в массиве грунта через или под пригруз в виде расположенной на дисперсном грунте бетонной плиты с перфорированной боковой поверхностью, отверстия которой перекрыты одновременно разрушаемыми при давлении 3,0-20,0 атм. гидроразрыва грунта заглушками. Заглушки выполнены в виде перекрывающей отверстия перфорации ленты, расположенной по спирали или в виде колец. Лента выполнена с липким слоем, обращенным к перфорированной трубе. Заглушки образованы несколькими слоями ленты, количество которых определено заданной величиной давления гидроразрыва в грунте. Перфорированная труба снабжена не разрушаемой при давлении гидроразрыва нижней торцевой заглушкой.

В грунтовом основании, имеющим техногенный каркас это достигается тем, что оно выполнено с использованием описанного выше устройства для уплотнения грунта и представляет собой размещенный под пригрузом в виде бетонной плиты массив грунта, пронизанный инъекторами в виде труб и образующий техногенный каркас расположенным в трещинах гидроразрыва грунта затвердевшим цементным раствором. Затвердевший цементный раствор вокруг инъекторов расположен в плане с взаимным проникновением в концентрические зоны вокруг соседних инъекторов.

На фиг.1 представлен инъектор с перфорированной боковой поверхностью, отверстия которой закрыта разрушаемыми заглушками (вариант спирального расположения ленты - верхняя часть и вариант кольцевого расположения ленты - нижняя часть);

На фиг.2 представлена схема расположения инъекторов в плане с перекрытием концентрических зон вокруг них.

Устройство для уплотнения грунта включает инъекторы 1 для нагнетания цементного раствора в виде труб с отверстиями (перфорацией) 2 на боковой поверхности. Отверстия 2 перекрыты разрушаемыми заглушками 3. Давление, обеспечивающее гидроразрыв грунта - 3,0-20,0 атм. определено в соответствии с расширенными категориями грунта и особенностями закрепления его на откосах. Уменьшение давления не приводит к гидроразрыву, а увеличение - отрицательно сказывается на экономических показателях, требуя высоких характеристик оборудования и увеличивая расход раствора. Подачу цементного раствора для расширения трещин гидроразрыва можно осуществлять непрерывно в пульсирующем режиме. При установке инъекторов, расстояние между их продольными осями выбирают из диапазона 2,0-4,0 м, что обусловлено работой на различных категориях грунта при глубине инъектирования 3,0-8,0 м, что в ряде случаев требует наращивания инъектора по длине. При уплотнении глинистых обводненных грунтов или водонасыщенных суглинков и супесей осуществляют отжатие и отвода содержащейся в них воды. При таком уплотнении грунта инъекторы в плане располагают, как вариант, рядами, а подачу цементного раствора в их рядах осуществляют от центра к периферии, предпочтительно по спирали в плане, последовательно в каждый инъектор или с шагом через 1-3 инъектора. Возможно, как другой вариант, расположение инъекторов в плане рядами, а при подаче цементного раствора в их рядах осуществляемой последовательно от центра к периферии, предпочтительно в радиальном в плане направлении, последовательно в каждый инъектор или с шагом через 1-3 инъектора в радиальном

направлении или с чередованием между смежными инъекторами в смежных радиальных направлениях. Одновременное разрушение заглушек обеспечивает образование гидроразрыва в объеме грунта во всех направлениях. Заглушки 3 выполнены в виде перекрывающей отверстия 2 перфорации ленты, расположенной по спирали (фиг.1) или в виде колец. Лента заглушек 2 выполнена с липким слоем, обращенным к перфорированной трубе. Заглушки 2 образованы, как правило, несколькими слоями ленты, количество которых определено заданной величиной давления гидроразрыва в грунте. В нижней части трубы размещена не разрушаемая при давлении гидроразрыва нижняя торцевая заглушка 4. Цементный раствор вокруг инъекторов расположен в плане в виде каркаса 5 с взаимным проникновением в концентрические зоны вокруг соседних инъекторов

Включение в область применения песков и техногенных грунтов стало возможным благодаря образованию трещин гидроразрыва, т.к. без трещин гидроразрыва цементный раствор проникал в поры песчаного грунта, не уплотняя его. Нагнетание осуществляется при наличии над укрепленным массивом фундаментной плиты и нескольких (2-Зх) этажей здания. Фундаментная плита является экраном, препятствующим выходу раствора из массива грунта, а наличие нескольких этажей создает пригруз, который позволяет создать давление, т.к. при отсутствии плиты и пригруза нагнетание уплотняющего раствора приводит к поднятию (вспучиванию) грунтовой толщи над точкой инъецирования и иногда к прорыву цементного раствора на поверхность. С целью обеспечения образования трещин гидроразрыва инъекторы обматывают лентой, например скотчем, в несколько слоев. Количество слоев скотча зависит от необходимого давления, при котором образуются трещины гидроразрыва. В результате нагнетания давление в шлангах и инъекторе повышается до давления гидроразрыва, характерного для данного типа грунта и после разрыва скотча раствор мгновенно попадает в массив грунта и образует трещины гидроразрыва. Шаг и глубина расположения инъекторов зависят от свойств грунтовой толщи, нагрузок от

сооружения и мощности сжимаемой толщи. Объемы нагнетания зависят от пористости данных грунтов и нагрузки от конкретного сооружения. Если мелкодисперсный цементный раствор слишком жидкий, то в песчаных грунтах не образуются трещины гидроразрыва, а происходит проникновение цементного молочка в поры грунта по принципу классической, цементации. Если раствор слишком вязкий, то трещины гидроразрыва не образуются вообще и происходит расширение стенок скважины и уплотнение грунта вокруг скважины.

Осуществляется это следующим образом.

Вскрывается котлован на отметку заложения фундаментной плиты. Обустраивается стандартная бетонная подготовка. После твердения бетонной подготовки с нее осуществляется бурение лидерных скважин. В лидерные скважины опускают инъекторы (перфорированная труба) диаметром 30-50 мм с шагом - 2,5×2,5 - 3,0×3,0 метра на глубину распространения слабых грунтов в пределах сжимаемой зоны. Соединение инъектора и бетонной подготовки пакируется специальным цементным раствором. Выпуск инъектора над фундаментной плитой составляет 5-10 см. После этого вяжется арматурный каркас согласно проекта обустройства фундаментной плиты. После обустройства фундаментной плиты через арматурный каркас наращивают инъектора глухими трубами таким образом, чтобы инъектора возвышались на 10-20 см над будущей фундаментной плитой и фундаментная плита заливается бетоном. Инъектора перед опусканием обматываются скотчем для создания давления гидроразрыва, обеспечивающего образование трещин гидроразрыва. После обустройства фундаментной плиты в инъектора заливается глинистый раствор с целью исключения отжатия слабых глинистых грунтов в инъектор. После окончания обустройства фундаментной плиты возводятся 2-3 этажа здания для создания необходимого пригруза, т.к. в противном случае нагнетание уплотняющего раствора приведет не к уплотнению грунта, а к поднятию здания. Нагнетание уплотняющего цементного раствора производится при

давлении гидроразрыва, характерного для данного типа грунта. В результате образуются трещины гидроразрыва длиной 2-3 метра в наиболее ослабленных зонах массива грунта. Продолжающий поступать в трещины гидроразрыва уплотняющий раствор расширяет их и расширяющая трещина начинает работать как внутримассивный домкрат, уплотняя вокруг себя массив грунта. При уплотнении глинистых обводненных и водонасыщенных суглинков и супесей происходит отжатие воды и, соответственно, изменение их консистенции. Консистенция глинистых грунтов меняется на 2 категории, т.е. если грунты были текучепластичными, они становятся тугопластичными, а если мягкопластичными, то полутвердыми. Застывший уплотняющий раствор в трещинах гидроразрыва, которые соединяются между собой, образует единый армированный каркас. После окончания процесса нагнетания, кран, установленный на инъекторе перекрывается, т.к. в противном случае упругие деформации массива грунта вытолкнут уплотняющий раствор через трещины гидроразрыва и инъектор обратно и уплотнение произойдет лишь частично. Кран остается закрытым до момента схватывания уплотняющего раствора. После твердения уплотняющего раствора инъектор срезают заподлицо с фундаментной плитой.

В результате произведенных действий происходит следующее:

- Дисперсные грунты уплотняются, а глинистые дисперсные грунты при этом меняют свою консистенцию на более твердые категории. В результате чего все физико-механические свойства улучшаются в 1,5-2 раза.

- Массив грунта содержит в себе застывший уплотняющий раствор, который образует единый армированный каркас, повышающий (за счет наличия жестких включений) показатели физико-механических свойств еще в 1,3-1,5 раза.

- Инъекторы, замоноличенные в фундаментной плите, из которых выходят жесткие включения застывшего в трещинах гидроразрыва уплотняющего раствора превращаются в корневидные сваи, которые принимают на себя часть нагрузки. При этом опыты, проведенные по оценки

несущей способности корневидных свай, показывают, что их несущая способность составляет не менее 7-8 тонн.

Таким образом, образовавшаяся свайно-каркасная система в уплотненном массиве грунта работает как единое целое и значительно повышает несущую способность и надежность основания в целом.

Применение именно этой свайно-каркасной системы в уплотненном массиве грунта позволяет при меньших затратах на материале получать надежное и эффективно-действующее основание. Экономия достигается за счет увеличения шага расположения инъекторов и уменьшения объема нагнетания. Надежность и эффективность повышается за счет работы корневидных свай.

Пример 1.

В массиве слабых мягкопластичных суглинков было произведено укрепление грунта под фундаментами строящегося здания жилого дома с шагом 3,5 м × 3,5 м на глубину 5 метров. Через 160 инъекторов было произведено нагнетание слабовязкого (жидкого) раствора под давлением гидроразрыва, характерного для данных грунтов (12 атм). В результате образовались трещины гидроразрыва, которые при дальнейшем нагнетании расширялись и уплотняли мягкопластичные суглинки. Застывший цементный раствор образовал армирующий техногенный каркас в уплотненном и улучшенном массиве грунта.

Пример 2.

На оползнеопасном склоне, сложенном насыпными и тугопластичными суглинками естественного сложения, погружаются инъектора с шагом 4×4 м на глубину от 3-х до 8 метров и через них осуществляется нагнетание слабовязкого цементного раствора под давлением гидроразрыва - 7 атм. Дальнейшее нагнетание цементного раствора через трещины гидроразрыва приводит к уплотнению грунта и образованию единого армирующего каркаса, наличие которого позволит полностью устранить возможность возникновения оползня.

1. Устройство для уплотнения грунта, выполненное в виде инъекторов-труб для нагнетания цементного раствора, размещаемых с шагом 2,0-4,0 м в массиве грунта через или под пригруз в виде расположенной на дисперсном грунте бетонной плиты с перфорированной боковой поверхностью, отверстия которой перекрыты одновременно разрушаемыми при давлении 3,0-20,0 атм. гидроразрыва грунта заглушками.

2. Устройство для уплотнения грунта по п.1, в котором заглушки выполнены в виде перекрывающей отверстия перфорации ленты, расположенной по спирали или в виде колец.

3. Устройство для уплотнения грунта по п.1 или 2, в котором лента выполнена с липким слоем, обращенным к перфорированной трубе.

4. Устройство для уплотнения грунта по п.1 или 2, в котором заглушки образованы несколькими слоями ленты, количество которых определено заданной величиной давления гидроразрыва в грунте.

5. Устройство для уплотнения грунта по п.1 или 2, в котором перфорированная труба снабжена не разрушаемой при давлении гидроразрыва нижней торцевой заглушкой.

6. Грунтовое основание с техногенным каркасом, выполненное с использованием устройства для уплотнения грунта по любому из пп.1-5, и представляющее собой размещенный под пригрузом в виде бетонной плиты массив грунта, пронизанный инъекторами в виде труб и образующий техногенный каркас расположенным в трещинах гидроразрыва грунта затвердевшим цементным раствором.

7. Грунтовое основание с техногенным каркасом по п.6, в котором затвердевший цементный раствор вокруг инъекторов расположен в плане с взаимным проникновением в концентрические зоны вокруг соседних инъекторов.