СПОСОБ УПЛОТНЕНИЯ ПРОСАДОЧНЫХ ГРУНТОВ Российский патент 2002 года по МПК E02D3/10 E02D27/34 

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при подготовке оснований, сложенных просадочными грунтами.

Наиболее близким к предлагаемому является способ уплотнения просадочных грунтов, включающий подачу воды на оборудованную пьезометрами и марками площадку замачивания и в водопоглощающие полости, преимущественно вертикального направления в толще просадочных грунтов, снабженные дренирующим материалом, с поддерживанием постоянного уровня воды на площадке (см. Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений НИИОСП им. Герсеванова, Госстроя СССР к СНиП 2.02.01-83, Москва, Стройиздат, 1986, с.268-273, рис. 59, 60).

Недостатком известного способа уплотнения просадочных грунтов является его низкая эффективность в связи с недостаточными сжимающими эффективными напряжениями в водонасыщенной просадочной толще грунта, обусловленными взвешивающим действием воды, насыщающей просадочную толщу.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности уплотнения просадочных грунтов.

Поставленная цель достигается тем, что в способе уплотнения просадочных грунтов, включающем подачу воды на оборудованную пьезометрами и марками площадку замачивания и в водопоглащающие полости, преимущественно вертикального направления в толще просадочных грунтов, снабженные дренирующим материалом, с поддерживанием постоянного уровня воды на площадке, согласно изобретению водопоглащающие полости выполняют с непроницаемыми стенками в верхней части, которые соединяют с оголовком, не сообщающимся с площадкой замачивания, а сами водопоглощающие полости оборудуют устройствами для удаления воды из них, при этом замачивание просадочных грунтов проводят циклически, а в пределах каждого цикла, после завершения насыщения просадочных грунтов водой из площадки замачивания и водопоглощающих полостей, подачу воды на площадку замачивания и в водопоглощающие полости прекращают, последние посредством устройств для удаления воды освобождают от воды, находящейся в них, и периодически, посредством тех же устройств, удаляют воду, фильтрующуюся из окружающего водонасыщенного массива просадочного грунта в водопоглощающие полости, а при понижении поверхности депрессии до нижней части просадочной толщи, фиксируемом по пьезометрам, возобновляют подачу воды на площадку замачивания и поддерживают на ней постоянный уровень воды до начала подъема поверхности депрессии, фиксируемого пьезометрами, затем прекращают периодическое удаление воды из водопоглощающих полостей и возобновляют подачу воды в эти полости с поддерживанием в них постоянного уровня воды, равного уровню воды на площадке замачивания, после чего циклы повторяют до достижения суточной условной стабилизации просадок, определяемой по маркам в моменты нахождения поверхности депрессии в нижней части просадочной толщи.

По контуру площадки замачивания в просадочном грунте может быть выполнена стенка из малопроницаемого материала с низким сопротивлением сдвигу.

При этом непроницаемые стенки водопоглощающих полостей могут быть выполнены длиной, достигающей нижнюю четверть глубины полостей.

Кроме того, на площадке замачивания водопоглощающие полости с устройствами для удаления воды и непроницаемыми стенками длиной до нижней четверти глубины полостей могут чередовать с водопоглощающими полостями с непроницаемыми стенками в верхней их части, но без устройств для удаления воды.

Водопоглощающие полости могут быть выполнены глубиной, достигающей кровли пласта сильнопроницаемого необводненного грунта, подстилающего просадочную толщу, в который посредством устройств для удаления воды может быть направлена вода из водопоглощающих полостей.

На площадке замачивания могут быть также размещены емкости для воды, используемой при замачивании.

В периоды насыщения просадочного грунта водой и понижения депрессионной поверхности в водопоглощающих полостях могут создавать давления соответственно большие и меньшие атмосферного давления.

Насыщение просадочного грунта водой может быть выполнено созданием в водопоглощающих полостях избыточного давления горячей воды, перегретого пара.

Сущность изобретения поясняется чертежами на фиг.1-7, где на фиг.1 показана площадка уплотнения просадочных грунтов замачиванием в период подачи воды на площадку замачивания и в водопоглощающие полости, поперечный разрез; на фиг. 2 -водопоглощающая полость с уширением в нижней части и устройством для удаления воды в период насыщения просадочного грунта водой, продольный разрез; на фиг.3 - фрагмент площадки замачивания с водопоглощающими полостями в период прекращения подачи воды на площадку, удаления воды из водопоглощающих полостей и понижения депрессионной поверхности, поперечный разрез; на фиг.4 - фрагмент площадки замачивания с водопоглощающими полостями в период возобновления подачи воды на площадку, удаления воды из полостей, расположения поверхности депрессии в нижней части просадочной толщи и нахождения зоны проникновения инфильтрационного потока в верхней (нижней) части просадочной толщи, поперечный разрез; на фиг.5 - фрагмент площадки замачивания с водопоглощающими полостями в период начала подъема поверхности депрессии и насыщения просадочного грунта водой из площадки замачивания и водопоглощающих полостей, поперечный разрез; на фиг.6 - фрагмент площадки замачивания с водопоглощающими полостями, достигающими кровли пласта сильнопроницаемого необводненного грунта, в который посредством устройств для удаления воды, направлена вода из полостей, поперечный разрез; на фиг.7 - фрагмент площадки замачивания с водопоглощающими плоскостями в период свободного истечения (подачи) воды на площадку замачивания и подачи воды в полости под избыточным давлением, поперечный разрез.

Способ уплотнения просадочных грунтов осуществляют следующим образом.

На территории, предназначенной для уплотнения просадочных грунтов 1, обваловывают площадку замачивания 2 и в толще просадочного грунта 1 создают водопоглощающие полости 3, преимущественно вертикального направления, до непросадочного слоя грунта 4. Полости 3 имеют непроницаемые стенки 5, которые соединяют с оголовком 6, не сообщающимся с площадкой замачивания 2. В полости 3 устанавливают устройство 7 для удаления воды (например, эжекторную скважинную установку ЭСУ-20, установку вакуумного водопонижения УВВ-ЗА-6 КМ и т.п.) и засыпают дренирующий материал 8 (например, мытый щебень, гравийно-песчаную смесь и т.п.) до низа непроницаемой стенки 5.

Затем площадку замачивания 2 оборудуют пьезометрами, поверхностными и глубинными марками (на чертежах не показаны) и подают воду на площадку замачивания 2 и водопоглощающие полости 3 с поддерживанием в них постоянного уровня воды. При этом просадочный грунт 1 начинает пропитываться инфильтрационными потоками воды 9 и 10, фильтрующимися соответственно от площадки замачивания 2 и водопоглощающих полостей 3. Инфильтрационные потоки 8 и 9 получают преимущественно вертикальное направление и формируют в нижней части просадочной толщи грунта 1 полностью насыщенную водой зону с формированием поверхности депрессии 11 (фиг.1). По мере поступления воды от инфильтрационных потоков 8 и 9 поверхность депрессии 11 начинает подниматься вверх до достижения площадки замачивания 2. В результате этого просадочный грунт 1 с удельным весом γ₁ полностью насыщается водой и переходит во взвешенное водой состояние 1а с удельным весом γ_1a, т.е.

γ_1a= γ₁-γ_в,,
где удельный вес воды.

Насыщение просадочного грунта 1 водой приводит к снижению прочностных свойств грунта 1 и некоторому его уплотнению за счет размягчения цементационных связей и повышения его сжимаемости. Процесс указанного уплотнения недостаточно эффективен из-за низких сжимающих напряжений, создаваемых весом грунта 1а, испытывающего взвешивающее действие воды (1).

После водонасыщения просадочного грунта 1 прекращают подачу воды на площадку замачивания 2 и в водопоглощающие полости 3. Это приводит к понижению депрессионной поверхности 11 за счет растекания воды. При этом область грунта 1б, освободившаяся от насыщающей ее свободной (гравитационной) воды и находящаяся выше депрессионной поверхности 11 перестает испытывать взвешивающее давление воды. Указанное приводит к повышению удельного веса грунта 1б (γ_1б), по сравнению с удельным весом просадочного грунта 1 (γ₁) первоначального состояния, за счет добавления веса рыхлосвязанной воды, дополнительно удерживаемой в порах грунта 1б после понижения депрессионной поверхности 11, т.е.

где W₁ и W_1б - влажности грунтов соответственно первоначального состояния 1 и в области 1б после понижения депрессионной поверхности 10.

При этом удельный вес грунта γ_1б, больший удельного веса γ₁, более интенсивно разрушает структурные связи просадочного грунта в областях 1а и 1б, повышая эффективность уплотнения всей просадочной толщи грунта 1.

Кроме этого, фильтрационный поток 12, формирующийся при понижении депрессионной поверхности 11, соответствующим образом воздействуют на скелет грунта 1а своей гидродинамической силой Ф, равной
Ф = γ_вΩI
где Ω- область фильтрации грунта, м²;
I - действующий градиент напора;
удельный вес воды.

Указанная сила Ф имеет вертикальную составляющую Ф_в (фиг.3), которая также увеличивает сжимающие напряжения в грунте 1а и дополнительно повышает эффективность уплотнения грунта 1а и вес просадочной толщи грунта 1. По мере понижения депрессионной поверхности 11 фильтрационная сила Ф_в снижается за счет уменьшения области фильтрации Ω и градиента напора I и этом общие (полные) сжимающие напряжения в грунте 1 не снижаются, т.к. с большей интенсивностью увеличивается объем грунта 1б с удельным весом γ_1б>γ₁, определяемым по формуле (2).

При освобождении же полостей 3 от воды, находящейся в них, посредством устройств 7 для удаления воды, фильтрационный поток в водонасыщенном грунте 1а устремляется в освободившиеся полости 3, высачиваясь по всей высоте укладки дренирующего материала 8. В связи с этим возрастают градиенты напора I, скорости фильтрации и расход воды, фильтрующейся в полости 3, что приводит к увеличению скорости понижения депрессионной поверхности 11. Указанное повышение градиентов напора I вызывает рост гидродинамической силы Ф фильтрационного потока Ф и соответственно ее вертикальной составляющей Ф_в, что также увеличивает сжимающие напряжения и дополнительно повышает эффективность уплотнения просадочного грунта 1. При этом более интенсивно увеличивается объем грунта 1б, освобождающегося от насыщающей воды, и соответствующие сжимающие напряжения, что приводит к дополнительному повышению эффективности уплотнения просадочного грунта 1 (фиг.3).

Периодическое же удаление воды, фильтрующейся из окружающего водонасыщенного массива грунта 1а в водопоглощающие полости 3, посредством устройств 7 для удаления воды, позволяет периодически освобождать полости 3 от аккумулирующейся в них воды, создающей негативный подпор фильтрационному потоку Ф с соответствующим понижением градиентов напора. Указанное позволяет получить наиболее оптимальные условия для беспрепятственного оттока (фильтрации) воды из водонасыщенного массива грунта 1а в водопоглощающие полости 3 с соответствующим ускорением понижения депрессионной поверхности 11 и повышением эффективности уплотнения просадочного грунта 1.

После понижения депрессионной поверхности 11 до нижней части просадочной толщи грунта 1, фиксируемой пьезометрами, общий объем грунта 1б, имеющего удельный вес γ_1б, достигает наибольшей величины с соответствующими наибольшими сжимающими напряжениями в грунте в данном периоде цикла, что дает соответствующее повышение эффективности уплотнения просадочного грунта 1 (фиг.3).

При последующем возобновлении подачи воды только на площадку замачивания 2 с поддерживанием постоянного уровня воды вес последней увеличивает также сжимающие напряжения в просадочном грунте 1б. В этот период в грунте 1б снова формируется инфильтрационный поток 9, направленный вниз от площадки замачивания 2. При этом непроницаемые стенки 5 полостей 3 и оголовки 6, не сообщающееся с площадкой замачивания 2, препятствуют прорыву воды из площадки 2 в полости 3. Вес свободно инфильтрующейся воды в потоке 9 создает вертикальную силу Р_инф, направленную сверху вниз и возрастающую в связи с увеличением области фильтрации потока 9 по мере его продвижения вниз по направлению к поверхности депрессии 11 в нижней части просадочной толщи грунта 1б, где и достигает своего наибольшего значения Р_инф ^max (фиг.4). Указанная сила Р_инф ^max дополнительно увеличивает до максимального значения сжимающие напряжения в грунте 1б и повышает эффективность уплотнения просадочного грунта 1.

При достижении инфильтрационным потоком 9 депрессионной поверхности 11 начинается подпитка водой насыщенного грунта 1а, что вызывает подъем депрессионной поверхности 11, фиксируемый пьезометрами. Следующее за этим прекращение удаления воды из полостей 3 посредством устройств 7 и подача воды в полости 3 с поддерживанием постоянного уровня воды в них, равного уровню воды на площадке замачивания 2 приводит к ускорению повторного насыщения грунта 1 с подъемом депрессионной поверхности 11 (фиг.5) до уровня площадки замачивания 2. При этом объем полностью водонасыщенного грунта 1а, испытывающего взвешивающее давление воды, увеличивается, а сжимающие (эффективные) напряжения в массиве грунта 1а принимают наименьшие значения, определяемые удельным весом γ_1a (1).

Последующее прекращение подачи воды на площадку замачивания 2 и в водопоглощающие полости 3, приводящее к понижению депрессионной поверхности 11 за счет растекания воды представляет собой продолжение следующего цикла уплотнения просадочного грунта 1, аналогичного описанному выше. Количество циклов повторяется до достижения условной суточной стабилизации просадки, определяемой по маркам в моменты нахождения поверхности депрессии 10 в нижней части просадочной толщи грунта 1.

Выполнение водопоглощающих полостей 3 с уширением 13 в нижней части (фиг. 2) приводит к более интенсивному насыщению просадочного грунта 1 водой за счет увеличенной фильтрационной поверхности, имеющей к тому же большее простирание в горизонтальном направлении, что существенно для лессовых грунтов с вертикально ориентированной анизотропной водопроницаемостью. Кроме этого, выполнение нижней части полостей 3 с уширением 13 позволяет при понижении депрессионной поверхности 11, начинающейся после прекращения подачи воды на площадку замачивания 2 и в водопоглощающие полости 3 и удалении воды из последних посредством устройств 7, сократить продолжительность понижения депрессионной поверхности 11 до нижней части просадочной толщи за счет увеличения притока воды из массива просадочного грунта 1 в полости 3 с увеличенной водопоглощающей поверхностью в анизотропном грунте с большей вертикальной проницаемостью. При вышеуказанном понижении депрессионной поверхности 11 в грунте 1а с водопоглощающими полостями 3, имеющими уширение 13 в нижней части, фильтрационный поток получает, кроме того, и большую вертикальную ориентацию, что увеличивает значение вертикальной составляющей Ф_в гидродинамической силы Ф фильтрационного потока. Вышеуказанные уменьшения времени насыщения водой просадочного грунта 1 и понижения депрессионной поверхности 11 до нижней части просадочной толщи, а также соответствующее увеличение величин вертикальной составляющей Ф_в гидродинамической силы Ф фильтрационного потока позволяют дополнительно повысить эффективность уплотнения просадочного грунта за счет сокращения продолжительности отдельных циклов уплотнения и увеличения сжимающих напряжений в грунте 1.

Выполнение по контуру площадки замачивания 2 (фиг.1) в просадочном грунте 1 противофильтрационной стенки 14 из малопроницаемого материала с низким сопротивлением сдвигу (например, суглинистого раствора с добавкой алкилсульфоната натрия) предотвращает растекание воды в стороны от замачиваемого массива грунта 1, отделяет проседающий массив замоченного грунта 1 от окружающего площадку замачивания 2 массива 15 просадочного грунта природной влажности, уменьшает силы трения между замоченным проседающим массивом грунта 1 и окружающими массивом 15 просадочного грунта за счет низкого сопротивления сдвигу материала стенки 14 и придает фильтрационному потоку в грунте 1 при понижении депрессионной поверхности 11 преимущественно вертикальное направление. Вышеуказанное дополнительно повышает эффективность уплотнения грунта 1 за счет сокращения продолжительности отдельных циклов уплотнения и увеличения сжимающих напряжений в грунте 1.

Выполнение водопоглощающих полостей 3 с непроницаемыми стенками 5, доходящими до нижней четверти глубины полостей 3 (фиг.4), в период насыщения грунта 1 водой и удаления воды из полостей 3 посредством устройств 7 приводит к вертикальной переориентации фильтрационного потока при пониженной депрессионной поверхности 11 с соответствующим увеличением значения вертикальной составляющей Ф_в гидродинамической силы Ф фильтрационного потока, что дополнительно повышает эффективность уплотнения грунта 1 за счет увеличения сжимающих напряжений.

Выполнение на площадке замачивания 2 чередующихся водопоглощающих полостей 3, одна часть которых оборудована устройствами 6 для удаления воды и имеет непроницаемые стенки 5 длиной до нижней четверти глубины полости 3, а другая часть полостей имеет непроницаемые стенки 5 только в верхней их части, позволяет уменьшить время насыщения просадочной толщи водой в период замачивания грунта 1, что дополнительно повышает эффективность уплотнения грунта 1 за счет сокращения продолжительности отдельных циклов уплотнения грунта 1.

Расположение на площадке замачивания 2 емкостей (на чертежах не показаны), заполняемых водой, увеличивает сжимающие напряжения по всей глубине просадочной толщи грунта 1 и дополнительно повышает эффективность уплотнения просадочного грунта 1.

Выполнение водопоглощающих полостей 3 глубиной, достигающей кровли сильнопроницаемого необводненного, подстилающего просадочную толщу, грунта (например, гравия, песка и т. п.), позволяет при понижении депрессионной поверхности 11 направлять самотеком воду из полостей 3 посредством устройств 7 для удаления воды, работающих по принципу заглушки (фиг.6), что повышает эффективность уплотнения просадочного грунта 1 за счет уменьшения материало- и энергоемкости работ.

Создание в водопоглощающих полостях 3, оборудованных устройствами 7 для удаления воды, в периоды насыщения просадочного грунта 1 водой и понижения депрессионной поверхности 11 давлений, соответственно больших и меньших атмосферного, уменьшает сроки насыщения грунта 1 водой и понижения депрессионной поверхности 11 с увеличением действующих градиентов напора фильтрационного потока (а следовательно, и гидродинамической силы Ф_в), что позволяет повысить эффективность уплотнения просадочной толщи за счет уменьшения продолжительности отдельных циклов уплотнения просадочного грунта 1 и повышения сжимающих напряжений в грунте 1.

Подача в водопоглощающие полости 3, оборудованные устройствами 7 для удаления воды, горячей воды (перегретого пара) под избыточным давлением в периоды насыщения просадочного грунта 1 водой приводит к более интенсивному разрушению структурных связей в грунте 1 и растворению солей, что повышает эффективность уплотнения грунта 1 за счет увеличения его сжимаемости и уменьшения продолжительности отдельных циклов уплотнения грунта 1.

С наступлением условной суточной стабилизации просадки грунта 1 из водопоглощающих полостей 3 извлекают устройства для удаления воды 7, оголовки 6 и заполняют полости 3 твердеющим материалом (например, цементным раствором), по мере набора прочности которого в уплотненном грунте, в местах расположения полостей 3, формируются элементы повышенной прочности, армирующие массив уплотненного грунта и уменьшающие его сжимаемость.

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при подготовке оснований, сложенных просадочными грунтами. Новым в способе является то, что водопоглощающие полости выполняют с непроницаемыми стенками в верхней части, которые соединяют с оголовком, не сообщающимся с площадкой замачивания, а сами водопоглощающие полости оборудуют устройствами для удаления воды из них, при этом замачивание просадочных грунтов проводят циклически, а в пределах каждого цикла, после завершения насыщения просадочных грунтов водой из площадки замачивания и водопоглощающих полостей, подачу воды на площадку замачивания и в водопоглощающие полости прекращают, последние посредством устройств для удаления воды освобождают от воды, находящейся в них, и периодически посредством тех же устройств удаляют воду, фильтрующуюся из окружающего водонасыщенного массива просадочного грунта в водопоглощающие полости, а при понижении поверхности депрессии до нижней части просадочной толщи, фиксируемом по пьезометрам, возобновляют подачу воды на площадку замачивания и поддерживают на ней постоянный уровень воды до начала подъема поверхности депрессии, фиксируемого пьезометрами, затем прекращают периодическое удаление воды из водопоглощающих полостей и возобновляют подачу воды в эти полости с поддерживанием в них постоянного уровня воды, равного уровню воды на площадке замачивания, после чего циклы повторяют до достижения суточной условной стабилизации просадок, определяемой по маркам в моменты нахождения поверхности депрессии в нижней части просадочной толщи. Технический результат изобретения состоит в повышении эффективности уплотнения просадочных грунтов. 8 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ уплотнения просадочных грунтов, включающий подачу воды на оборудованную пьезометрами и марками площадку замачивания и в водопоглощающие полости преимущественно вертикального направления в толще просадочных грунтов, снабженные дренирующим материалом, с поддерживанием постоянного уровня воды на площадке, отличающийся тем, что водопоглощающие полости выполняют с непроницаемыми стенками в верхней части, которые соединяют с оголовком, не сообщающимся с площадкой замачивания, а сами водопоглощающие полости оборудуют устройствами для удаления воды из них, при этом замачивание просадочных грунтов проводят циклически, а в пределах каждого цикла, после завершения насыщения просадочных грунтов водой из площадки замачивания и водопоглощающих полостей, подачу воды на площадку замачивания и в водопоглощающие полости прекращают, последние посредством устройств для удаления воды освобождают от воды, находящейся в них, и периодически посредством тех же устройств удаляют воду, фильтрующуюся из окружающего водонасыщенного массива просадочного грунта в водопоглощающие полости, а при понижении поверхности депрессии до нижней части просадочной толщи, фиксируемом по пьезометрам, возобновляют подачу воды на площадку замачивания и поддерживают на ней постоянный уровень воды до начала подъема поверхности депрессии, фиксируемого пьезометрами, затем прекращают периодическое удаление воды из водопоглощающих полостей и возобновляют подачу воды в эти полости с поддерживанием в них постоянного уровня воды, равного уровню воды на площадке замачивания, после чего циклы повторяют до достижения суточной условной стабилизации просадок, определяемой по маркам в моменты нахождения поверхности депрессии в нижней части просадочной толщи. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нижнюю часть водопоглощающих полостей выполняют с уширением. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что по контуру площадки замачивания в просадочном грунте выполняют стенку из малопроницаемого материала с низким сопротивлением сдвигу. 4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что непроницаемые стенки водопоглощающих полостей выполняют длиной до нижней четверти глубины водопоглощающих полостей. 5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что на площадке замачивания водопоглощающие полости, выполненные с непроницаемыми стенками длиной до нижней четверти глубины водопоглощающих полостей, оборудованные устройствами для удаления воды из них, чередуют с водопоглощающими полостями, имеющими непроницаемые стенки в верхней части, выполненными без устройств для удаления воды. 6. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что на площадке замачивания размещают емкости для воды, используемой при замачивании. 7. Способ по любому из пп. 1-4, 6, отличающийся тем, что водопоглощающие полости выполняют глубиной, достигающей кровли пласта сильнопроницаемого необводненного грунта, подстилающего просадочную толщу, в который направляют воду из водопоглощающих полостей посредством устройств для удаления воды. 8. Способ по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что в водопоглощающих полостях, оборудованных устройствами для удаления воды, в периоды насыщения просадочного грунта водой и понижения депрессионной поверхности создают давления, соответственно большие и меньшие атмосферного давления. 9. Способ по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что в периоды насыщения просадочного грунта в водопоглощающих полостях, оборудованных устройствами для удаления воды, создают избыточное давление горячей водой, перегретым паром.