СПОСОБ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТА Российский патент 1998 года по МПК E02D3/12 

Изобретение относится к строительству, в частности к закреплению грунтов оснований фундаментов зданий и сооружений.

Известен способ закрепления грунта, включающий бурение в грунте в шахматном порядке скважин (или забивание в шахматном порядке инъекторов), через которые нагнетается закрепляющий раствор. При этом расстояние между любыми двумя соседними скважинами предпочтительно выбирают равным или меньшим двух радиусов инъецирования [1]. Радиус инъецирования выбирают в зависимости от коэффициента фильтрации грунта и плотности закрепляющего раствора.

Описанный способ закрепления грунта имеет ряд существенных недостатков.

Из-за неоднородности грунта, которую во многих случаях практически невозможно учесть, реальные радиусы инъецирования на некоторых участках закрепляемого массива могут быть меньше расчетных. В результате этого уменьшается прочность закрепления массива, а отдельные участки могут быть вообще не закреплены.

Кроме того, при нагнетании закрепляющего раствора в скважины по описанному способу происходит фильтрация раствора в неподвижной капиллярно-пористой среде, в результате чего в непосредственной близости от скважины создаются более благоприятные условия для прохождения физико-химической реакции между грунтом и закрепляющим раствором (например, силикатом натрия), а в периферийную зону поступает закрепляющий раствор меньшей концентрации, частично уже прореагировавший с грунтом. В то же время в непосредственной близости от скважины может размещаться непрореагировавший раствор, так как реакционная способность грунта в этой области уже исчерпана. Это также ведет к уменьшению прочности закрепленного грунта.

Еще одним существенным недостатком этого способа является то, что при закреплении грунта оснований под существующими зданиями и сооружениями требуется прекращение на длительное время эксплуатации нижних этажей или подвалов, из которых бурятся скважины (забиваются инъекторы). При этом ограничение площади и высоты помещений нижних этажей и подвалов часто не позволяют применять высокопроизводительное оборудование, из-за чего большой объем работ выполняется вручную с использованием простейших механизмов. Это значительно увеличивает трудоемкость и сроки проведения работ.

Кроме того, в ряде случаев бурение скважин в фундаментах по разным причинам вообще невозможно, например, при закреплении грунтов под некоторыми архитектурными памятниками, фундаменты которых сами являются ценными историческими экспонатами.

Известен способ улучшения массива лессового просадочного грунта в основании зданий и сооружений [2], включающий последовательное уплотнение поверхности грунта, возведение распределительного несущего элемента по площади основания, образование скважин с равномерным шагом, нагнетание закрепляющего раствора (твердеющего материала), которые ведут с гидроразрывом грунта.

В результате гидроразрыва грунта между скважинами образуются трещины, которые заполняются закрепляющим раствором, что способствует равномерному его распределению по всему массиву, а следовательно, повышению качества закрепления.

Закрепленный по этому способу массив не имеет незакрепленных участков, при этом прочность закрепления различных участков массива практически одинакова или разнится на небольшие величины, которыми можно пренебречь.

Однако данный способ предназначен для закрепления (улучшения) массива просадочного грунта только перед новым строительством и практически не приемлем для закрепления грунтов в основании уже существующих зданий и сооружений.

За прототип выбран способ закрепления лессового просадочного грунта [3], включающий образование скважин, установку в них инъекторов-уплотнителей, нагнетание закрепляющего раствора и тампонирование скважин, при этом нагнетание раствора ведут с гидроразрывом грунта через две смежные скважины, расположенные с противоположных сторон элемента фундамента.

Выбранный за прототип способ, как и описанный выше, обеспечивает равномерное закрепление грунта.

Однако этот способ приемлем только для закрепления грунтов под зданиями и сооружениями, имеющими столбчатые или узкие ленточные фундаменты. Для закрепления грунтов под плитными и широкими ленточными (ширина ленты > 2 м) фундаментами выбранный за прототип способ не приемлем, так как гидроразрыв грунта не произойдет из-за большого расстояния между смежными скважинами, расположенными с противоположных сторон ленты или плиты фундамента. Более того, при необходимости закрепления массива грунта, размещенного между элементами столбчатого или ленточного фундаментов, а также под плиточным фундаментом необходимо бурение скважин (забивка инъекторов) с нижнего этажа или подвала здания.

Техническая задача изобретения состояла в разработке способа закрепления грунта обеспечивающего:
закрепление грунта с требуемой прочностью под любыми фундаментами существующих зданий и сооружений;
выполнение всех работ (всех приемов и операций способа) снаружи здания или сооружения;
снижение трудоемкости и сокращение сроков выполнения работ по закреплению.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе закрепления грунта, включающем образование вертикальных скважин и нагнетание в них закрепляющего раствора с гидроразрывом грунта, после нагнетания закрепляющего раствора производят выдержку до набора закрепленным массивом грунта прочности не менее 3 кг/см². В случае нагнетания раствора активно реагирующего с грунтом, и не менее 20 кг/см² в случае нагнетания самоотверждающегося раствора, а затем образуют наклонные скважины, оси которых пересекаются или скрещиваются под фундаментом или его элементами, и производят нагнетание в них закрепляющего раствора, при этом вертикальные и наклонные скважины образуют по всему периметру или вдоль длинных сторон фундамента или его элементов.

Кроме того, при закреплении грунта под элементом фундамента, ширина которого менее двух метров, наклонные скважины образуют только с одной длинной стороны элементов фундамента.

Нагнетание закрепляющего раствора в наклонные скважины ведут с гидроразрывом грунта.

В вертикальные скважины нагнетают самоотверждающийся раствор, а в наклонные - раствор, активно реагирующий с грунтом.

Предлагаемый способ закрепления грунта обеспечивает качественное равнопрочное закрепление грунта под фундаментами зданий и сооружений, на требуя при этом бурения скважин в фундаментах.

Все операции способа выполняются снаружи зданий и сооружений, что, во-первых, снижает трудоемкость и сокращает сроки выполнения работ, а во-вторых, не требует прекращения эксплуатации нижних этажей и подвалов.

Более того, предлагаемый способ приемлем и для закрепления грунта с нижних этажей или подвалов, при этом количество пробуренных скважин по этому способу в 3 - 8 раз (в зависимости от площади и конструкции фундамента) меньше, чем в способах, описанных выше в качестве аналогов.

На фиг. 1 изображена схема закрепления грунта по предлагаемому способу в вертикальном поперечном разрезе; на фиг. 2 - вариант схемы закрепления грунта с использованием одного ряда наклонных скважин.

Способ закрепления грунта осуществляется следующим образом.

По всему периметру или вдоль длинных сторон фундамента 1 или его элементов бурят вертикальные скважины 2, в которые нагнетают закрепляющий раствор. При этом расстояние между соседними вертикальными скважинами 2 и давление нагнетания выбирают с учетом физико-химических свойств подлежащего закреплению грунта таким образом, чтобы между скважинами 2 произошел гидроразрыв грунта с образованием продольной щели. Вследствие этого закрепляющий раствор заполняет не только вертикальные скважины 2, но и продольные щели между ними, т. е. по периметру или вдоль длинных сторон фундамента 1 или его элементов в грунте образуется сплошной массив закрепляющего раствора, что значительно увеличивает поверхность его соприкосновения с грунтом.

В качестве закрепляющего раствора можно применять как растворы активно реагирующие с грунтом, например, силикат натрия, так и самоотверждающиеся растворы, например, цементные растворы.

Самоотверждающиеся растворы применяются при наличии значительного количества пустот в закрепляемом массиве грунта, в случае сильного водонасыщения грунта и т. д., в том числе, если нижняя граница закрепляемого массива лежит ниже уровня грунтовых вод. Кроме того, в случае нагнетания с гидроразрывом в вертикальные скважины 1 самоотверждающегося раствора получают не только закрепленные массивы, но и одновременно надежные противофильтрационные завесы.

После окончания нагнетания в вертикальные скважины 1 закрепляющего раствора производят выдержку до набора закрепленным массивом грунта прочности не менее 3 кг/см² в случае нагнетания раствора, активно реагирующего с грунтом, и не менее 20 кг/см² в случае нагнетания самоотверждающегося раствора.

Данная выдержка необходима для того, чтобы при последующем бурении наклонных скважин и нагнетания в них раствора, последний не ушел из зоны закрепления. То есть, благодаря этой выдержке фиксируется зона, в которой размещается закрепляющий раствор, нагнетаемый в наклонные скважины.

После выдержки, в процессе которой сформировались закрепленные зоны 3, расположенные по всему периметру или вдоль длинных сторон фундамента 1 или его элементов, бурят наклонные скважины 4, оси которых пересекаются или скрещиваются под фундаментом 1 или его элементами. В зависимости от физико-химических свойств грунта и величины нагрузки на него от здания или сооружения закрепляющий раствор в наклонные скважины 4 нагнетается под давлением, обеспечивающим гидроразрыв грунта, или без гидроразрыва. В случае нагнетания закрепляющего раствора с гидроразрывом грунта расстояние между соседними наклонными скважинами 4 и давление нагнетания выбирают аналогично тому, как данные параметры выбирали для вертикальных скважин 2.

После окончания процесса закрепления грунта раствором, который нагнетали через наклонные скважины 4, сформировываются закрепленные зоны 5, которые в совокупности с закрепленными зонами 3 образуют практически единый закрепленный массив грунта под всем фундаментом 1 или под всем элементом фундамента (в зависимости от стоящей задачи).

В вертикальные 1 и наклонные 4 скважины можно нагнетать как один и тот же закрепляющий раствор, так и разные растворы: в вертикальные скважины 1 - самоотверждающийся раствор, а в наклонные скважины 4 - раствор, активно реагирующий с грунтом.

Такое комбинирование растворов для закрепления грунта по предлагаемому способу значительно снижает трудоемкость и стоимость работ по сравнению с закреплением только самоотверждающимся раствором. Возможность указанного комбинирования растворов определяют на основании свойств закрепляемого грунта: наличие и величина пустот, степень замачиваемости, водонасыщенность, уровень грунтовых вод и т. д.

Кроме того, при закреплении элементов фундамента, ширина которых менее двух метров, наклонные скважины 4 можно образовывать только с одной длинной стороны элемента фундамента 1, как это показано на фиг. 2. В этом случае нагнетание в наклонные скважины 4 закрепляющего раствора предпочтительно вести с гидроразрывом грунта.

Использование: закрепление грунтов основания зданий и сооружений. Сущность изобретения: в способе закрепления грунта, включающем образование вертикальных скважин и нагнетание в них закрепляющего раствора с гидроразрывом грунта, после нагнетания закрепляющего раствора производят выдержку до набора закрепленным массивом грунта прочности не менее 3 кг/см² в случае нагнетания раствора, активно реагирующего с грунтом, и не менее 20 кг/см² в случае нагнетания самоотверждающегося раствора, а затем образуют наклонные скважины, оси которых пересекаются или скрещиваются под фундаментом или его элементами, и производят нагнетание в них закрепляющего раствора, при этом вертикальны и наклонные скважины образуют по всему периметру или вдоль длинных сторон фундамента или его элементов. Нагнетание закрепляющего раствора в наклонные скважины ведут с гидроразрывом грунта. 3 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ закрепления грунта, включающий образование вертикальных скважин и нагнетание в них закрепляющего раствора с гидроразрывом грунта, отличающийся тем, что после нагнетания закрепляющего раствора производят выдержку до набора закрепленным массивом грунта прочности не менее 3 кг/см² в случае нагнетания раствора, активно реагирующего с грунтом, и не менее 20 кг/см² в случае нагнетания самоотверждающего раствора, а затем образуют наклонные скважины, оси которых пересекаются или скрещиваются под фундаментом или его элементами, и производят нагнетание в них закрепляющего раствора, при этом вертикальные и наклонные скважины образуют по всему периметру или вдоль длинных сторон фундамента или его элементов. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при закреплении грунта под элементом фундамента, ширина которого менее 2 м, наклонные скважины образуют только с одной длинной стороны элемента фундамента. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что нагнетание закрепляющего раствора в наклонные скважины ведут с гидроразрывом грунта. 4. Способ по пп. 1 3, отличающийся тем, что в вертикальные скважины нагнетают самоотверждающийся раствор, а в наклонные раствор, активно реагирующий с грунтом.