СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ОСНОВАНИЯ Российский патент 1998 года по МПК E02D3/12 

Изобретение относится к области строительства, в частности к способам подготовки оснований фундаментов зданий и сооружений, возводимых на просадочных и структурнонеустойчивых грунтах, и может быть использовано как при новом строительстве, так и при стабилизации неравномерных осадок аварийных сооружений.

Известен способ закрепления лессового просадочного грунта путем одновременного нагнетания закрепляющего раствора в две смежные скважины с интенсивностью повышения давления 0,1 - 0,5 МПа в минуту, позволяющий оптимальным способом получить вертикальную плоскость разрыва грунта, через которую производится последующая пропитка грунта в зоне закрепления. После нагнетания заданного объема крепящего раствора ведут нагнетание тампонажного, например, цементного раствора, заполняя им стволы скважин, плоскость разрыва и другие возможные трещины в грунте (авт.св. N 1227767. Способ закрепления лессового просадочного грунта, 1986).

Недостатком известного способа является использование двух растворов (химического закрепляющего и тампонажного), необходимость их раздельного нагнетания в две стадии, а также низкая его эффективность при закреплении и уплотнении грунтов с разной степенью влажности. Кроме того, дефицитность и высокая стоимость химических реагентов обуславливает высокую сметную стоимость строительных работ по подготовке основания.

Известны аэродинамические цементно-песчаные составы, используемые для гидроизоляции и содержащие 50% быстротвердеющего портланд-цемента с М 500, 50% морского песка и 0,1 - 0,15 (от веса цемента) вспенивателя при водоцементном отношении 0,32 - 0,37 (Соколовский В.Г. Аэрированные цементно-песчаные растворы и их применение в строительстве. - Л.: Стройиздат, 1972, 70 с.).

Основными недостатками состава являются дефицитность и достаточно высокая стоимость (в том числе и за счет транспортных расходов) его основных компонентов - морского песка и высокомарочного быстротвердеющего портланд-цемента.

Наиболее близким из известных решений по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому способу (прототип) является способ улучшения массива лессового просадочного грунта в основании зданий и сооружений, включающий образование скважин с установкой инъекторов, нагнетание в грунт улучшающего раствора с замачиванием и уплотнением массива. При этом после введения улучшающего раствора в грунт производят нагнетание в него твердеющего материала, например, цементно-песчаного раствора, причем нагнетание улучшающего раствора ведут с гидроразрывом грунта, а в качестве улучшающего грунт раствора используют пульпу из улучшаемого грунта с содержанием его 15 - 30% (авт. св. N 1294910, Способ улучшения массива лессового просадочного грунта в основании зданий и сооружений, 1987).

Недостатком известного способа является его многостадийность и трудоемкость, так как замачивание и уплотнение массива производится отдельно приготовляемым улучшающим раствором (грунтовая пульпа), а армирование - твердеющим материалом в виде цементно-песчаного раствора, который нагнетается во вторую стадию. Ввиду этого, исключается возможность замачивания, уплотнения и армирования грунтового основания в водную стадию с использованием единого состава, а также значительно повышается стоимость работ. Кроме того, ввиду неуправляемого гидроразрыва получаемая каркасно-ячеистая структура из уплотненных и упрочненных элементов не имеет четко выраженной формы, что не позволяет с достаточной степенью надежности обеспечивать однородность армирования и гарантировать повышенную несущую способность основания (Багдасаров Ю. А., Четыркин Н.С., Грачев Ю.А. Об устройстве оснований на грунтах II типа по просадочности методом "геотехногенный массив". - Основания, фундаменты и механика грунтов, N 6, 1988).

Целью изобретения является упрощение технологии, повышение надежности армирования и сокращение стоимости работ.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе подготовки основания, включающем образование скважин с установкой инъекторов, замачивание, уплотнение и армирование массива грунта твердеющим раствором через гидроразрыв замачивание, уплотнение и армирование грунтового массива производят одновременно в одну стадию при подаче твердеющего раствора через направленный гидроразрыв, а армирование выполняют в виде системы вертикальных регулируемых плоских элементов повышенной жесткости.

Другое отличие состоит в том, что в качестве замачивающего и армирующего раствора применяют вспененный твердеющих цементно-грунтовый раствор следующего состава: твердая фаза (вес.%, цемент 19,95 - 44,95, грунт 80 - 55, ПАВ 0,05), вода, количество которой определяют по формуле

где количество воды, необходимое для приготовления твердеющего раствора с учетом замачивания массива грунта объемом V_гр, м³, до оптимальной влажности W_опт;
0,5 - весовое соотношение воды и твердой фазы уплотняющего и армирующего раствора, д.е.;
P_тф - вес твердой фазы твердеющего раствора, необходимой для уплотнения и армирования грунтового массива объемом V_гр, т;
плотность воды, равная 1,0 т/м³;
γ_ск - плотность сухого грунта уплотняемого массива в пределах площадки, т/м³;
W_гр - влажность грунта уплотняемого массива, д.е.

На фиг. 1 - 3 показаны варианты подготовки основания в виде системы вертикальных регулируемых плоских элементов повышенной жесткости, создаваемых через направленный разрыв под плитный, ленточный и круглый фундамент. На фиг. 4 - под ленточный фундамент с использованием концентратора напряжений 4. На фиг. 5 и 6 - разрезы 1-1, 2-2 соответственно.

Предлагаемый способ подготовки основания осуществляется в следующей последовательности.

Сначала в массиве грунта в соответствии со схемами, приведенными на чертежах, проходятся скважины 1 с установкой инъектора. Затем, одним из известных способов выполняется направленный гидроразрыв путем подачи вспененного цементно-грунтового раствора. При этом замачивание, уплотнение и армирование производят в одну стадию в процессе нагнетания твердеющего раствора, состоящего из твердой фазы (вес.%, цемент 19,95 - 44,95, грунт 80 - 55, ПАВ 0,05) и воды, количество которой определяется по вышеприведенной формуле с учетом замачивания до оптимальной влажности W_опт уплотняемого массива грунта 2 объемом V_гр. Раствор поступает в плоскость разрыва, избыток воды с добавкой ПАВ в процессе нагнетания отфильтровывается в окружающий грунт, замачивая его, а твердая фаза, заполняя плоскость разрыва и расширяя ее, уплотняет окружающий массив и формирует элемент повышенной жесткости 3. Высота, длина и толщина элемента может регулироваться объемом подаваемого раствора. Вспененный цементно-грунтовый раствор в плоскости разрыва твердеет под давлением и превращается в цементно-грунтовый камень с заданными характеристиками, армируя основание. Степень армирования (A %) задается в зависимости от необходимости несущей способности основания N, схемы размещения армирующих элементов (фиг. 1 - 4), прочности цементно-грунтового камня R_цг и уплотняемого грунта R_гр и может рассчитываться по формуле

Таким образом, предлагаемый способ позволяет производить подготовку основания путем замачивания, уплотнения и армирования грунтового массива в одну стадию при подаче твердеющего состава, а также выполнять армирование в виде системы вертикальных регулируемых плоских элементов повышенной жесткости. Упростить технологию и сократить стоимость работ позволяет предлагаемый твердеющий состав за счет новых концентрационных характеристик, недифицитности компонентов (грунтов различного литологического типа, обыкновенных портландцементов марки 300 - 400) и расчетной оптимизации их расхода.

В качестве примера конкретного выполнения способа рассмотрим порядок операций при стабилизации неравномерных осадок грунтов основания жилого дома в г. Ростове-на-Дону.

В основании ленточных фундаментов залегали насыпные грунты мощностью 1,6 м, подстилаемые глинами. Армирование выполнялось в виде системы вертикальных плоских элементов по схеме, изображенной на фиг. 4. При этом расстояние между плоскостями разрыва было принято 1,0 м, а размеры элементов составили: высота - 1,6 м, длина 1,3 м, толщина 0,07 м.

Работы выполнялись следующим образом.

Сначала согласно вышеуказанной схемы были пройдены скважины с установкой инъектора переменного сечения с резцом, обеспечивающего создание направленного разрыва под фундаментом согласно авт. свид. N 1444473. Направленный разрыв происходил при нагнетании вспененного твердеющего цементного-грунтового раствора с интенсивностью подъема давления 0,1 - 0,5 МПа в минуту.

Для увлажнения, уплотнения и армирования грунтового массива в одну стадию в каждый инъектор подавалось 290 л раствора, состоящего из твердой фазы (цемент марки 400 - 57 кг, суглинок 132,9 кг, ПАВ - сульфанол НП-1 - 0,1 кг) и воды, количество которой было рассчитано по формуле (1) при следующих исходных данных:
P_тф = 0,190 т; γ_ск = 1,2т/м³; ; W_гр = 0,26; W_опт = 0,28; V_гр = 3,3 м³; ;

Таким образом, для замачивания, уплотнения и армирования 3,3 м³ грунтового массива был использован вспененный цементно-грунтовый твердеющий раствор следующего состава: твердая фаза : цемент 30%, грунт 69,95%, ПАВ 0,05%, вода 175 л.

При подаче вспененного раствора через направленный гидроразрыв (P_разр = 2,8 - 3,0 атм) под давлением 1,3 - 1,8 атм в течение 20 мин избыток воды отфильтровывался в окружающий грунт, замачивая его до оптимальной влажности, а твердая фаза, заполняя плоскость разрыва под давлением и расширяя ее, уплотняет окружающий массив и формирует армирующий элемент повышенной жесткости с заданными параметрами. Вспененный цементно-грунтовый раствор в плоскости разрыва твердеет под давлением и превращается в цементно-грунтовый камень с прочностью R_цг = 3,0 МПа. Несущая способность армированного основания при вышеописанных параметрах составила (см. формулу 2)

где A = 0,7%, R_гр = 0,1 МПа; R_гц = 3,0 МПа.

Таким образом, за счет использования предлагаемого способа несущая способность была увеличена в 3,0 раза.

Положительный эффект от использования предлагаемого способа подтверждается технико-экономическим расчетом. Стоимость уплотнения и армирования 1 м³ грунта по предлагаемому способу (прототип) приведена в таблице.

Как видно из таблицы, сметная стоимость уплотнения и армирования 1 м³ грунта по предлагаемому способу на 47; меньше, чем по известному способу (прототип).

При годовом объеме работ 50000 м³ экономический эффект составит 139000 руб. (в ценах 1991 г).

Таким образом, предлагаемый способ подготовки основания позволяет за счет совмещения операций по замачиванию, уплотнению и армированию грунтового массива при подаче вспененного цементно-грунтового раствора через направленный гидроразрыв упростить технологию, повысить надежность армирования и сократить стоимость и сроки работ.

Использование: при подготовке оснований фундаментов зданий и сооружений, возводимых на просадочных и структуронеустойчивых грунтах. Сущность изобретения: способ подготовки основания включает образования скважин с установкой инъекторов, замачивание, уплотнение и армирование массива грунта твердеющим раствором через гидроразрыв. Замачивание, уплотнение и армирование грунтового массива производят в одну стадию при подачи твердеющего раствора через направленный разрыв. Армирование выполняют в виде системы вертикальных регулируемых плоских элементов повышенной жесткости. В качестве замачивающего, уплотняющего и армирующего раствора могут использовать вспененный твердеющий цементно-грунтовый раствор. 1 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Способ подготовки основания, включающий образование скважин с установкой инъекторов, замачивание, уплотнение и армирование массива грунта твердеющим раствором через гидроразрыв, отличающийся тем, что, с целью упрощения технологии, повышения надежности армирования и сокращения стоимости работ, замачивание, уплотнение и армирование грунтового массива производят в одну стадию при подаче твердеющего раствора через направленный гидроразрыв, а армирование выполняют в виде системы вертикальных регулируемых плоских элементов повышенной жесткости. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве замачивающего, уплотняющего и армирующего раствора применяют вспененный твердеющий цементногрунтовый раствор следующего состава: твердая фаза (вес.%, цемент 19,95 - 44,95, грунт 80 - 55, ПАВ 0,05) : вода, количество которой определяют по формуле

где количество воды, необходимое для приготовления твердеющего раствора с учетом замачивания до оптимальной влажности W_опт массива грунта объемом V_гр, м³;
0,5 - весовое соотношение воды и твердой фазы уплотняющего и армирующего раствора, д.е.;
P_тф - вес твердой фазы твердеющего раствора, необходимой для уплотнения и армирования грунтового массива, объемом V_гр, т;
плотность воды, равная 1,0 т/м³;
γ_ск - плотность сухого грунта уплотняемого массива в пределах площадки, т/м³;
W_гр - влажность грунта уплотняемого массива, д.е.