СПОСОБ ЗАКРЕПЛЕНИЯ СЛАБЫХ ГРУНТОВ Российский патент 2005 года по МПК E02D3/12 

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для закрепления слабых и просадочных грунтов на больших глубинах при сооружении и реконструкции фундаментов зданий и сооружений, а также для повышения устойчивости естественных оползневых склонов, искусственных откосов дамб, котлованов и карьеров.

Известен способ для инъекции вяжущего раствора, при котором используют штангу. В боковой поверхности штанги выполнено не менее двух отверстий для инъекции вяжущего раствора. По крайней мере одно из этих отверстий находится между нижним концом штанги и выступом на ней. Штангу погружают в грунтовое основание. В процессе ее погружения через какое-нибудь из отверстий выбрасывается наружу струя вяжущего раствора. Далее штангу приподнимают на определенную величину. По ходу приподнятия штанги или же после этого через отверстие, находящееся между выступом и нижним концом штанги, выбрасывают наружу струю вяжущего раствора с низким, более 50 кг/см, давлением, аналогичного ранее инъектированному раствору или принадлежащего к другому виду [з. Японии №2-35086 публ. 90.05.08 №4-878].

Недостатком известного способа является его ограничение по закреплению грунта, длительность процесса закрепления и перерасход вяжущего раствора.

Известен также способ укрепления грунта путем инъекции в него твердеющего раствора, согласно которому в укрепляемом грунтовом основании сооружают цилиндрическую полость в виде скважины и опускают в нее инъекционную штангу. Последовательно перемещая штангу по скважине осуществляют пошаговую инъекцию в окружающий грунт твердеющего раствора, который выбрасывается под давлением через выпускное отверстие штанги. Вокруг наружной боковой поверхности внешней трубы штанги устанавливают эластичную кольцевую оболочку. Твердеющий раствор попадает внутрь оболочки раздувает ее, перекрывая зазор между инъекционной штангой и стенкой скважины и препятствует утечке укрепляющего раствора из скважины вдоль ее боковой стенки [заявка Японии №3-3769, публ. 91,01,21 №4-95].

Недостатком известного способа является его длительность, сложность и значительные затраты, связанные с разделением инъектирования специальными устройствами, требующими дополнительных технических средств.

Наиболее близким и выбранным в качестве прототипа является способ укрепления грунтов путем инъекции. Сооружают цилиндрическую полость (скважину), укрепляют ее стенки в устье трубой. После бурения на длину заходки инъектируют через буровой снаряд, постепенно поднимая его, соответствующий раствор, т.е. буровой снаряд выполняет роль инъектора при инъекции в каждой заходке [А.Камбефор "Инъекция грунтов". М., Энергия, 1971, с.137-139].

Недостатком способа являются длительность процесса, энергоемкость, большой расход твердеющего материала, связанные с последовательностью создания и укрепления скважины и способом ее создания путем вращательного бурения, а также поэтапного углубления скважины, требующего разбуривания уже закрепленных верхних интервалов. При бурении скважины сразу на всю большую глубину закрепления, т.е. больше 1 м, и инъектирование одновременно всей скважины не позволяет добиться равномерного распределения закрепляющего раствора по длине закрепляемой мощности, а следовательно, требуемого качества, т.е. способ становится не пригодным.

Задачей изобретения является разработка технологичного способа закрепления слабых грунтов большой мощности, позволяющего использовать напряжение релаксации грунта после его виброуплотнения для герметизации трубы-кондуктора и инъектора при восходящем поинтервальном инъектироавнии.

Техническими результатами, которые могут быть получены при реализации заявленного способа являются:

технологичность;

экономия энергии;

сокращение длительности процесса;

повышение производительности;

снижение затрат.

Решение задачи и достижение вышеперечисленных технических результатов стали возможными благодаря тому, что в известном способе закрепления слабых грунтов, включающем создание цилиндрической полости с поверхности, укрепление стенок цилиндрической полости трубой-кондуктором и инъектирование твердеющего раствора путем его подачи под давлением в грунт через инъектор, в грунтах большой мощности цилиндрическую полость создают и укрепляют ее стенки трубой-кондуктором путем одновременного ее погружения под действием вибрации с размещенной в ней соосно вспомогательной трубой, внешний диаметр которой определяют соотношением:

Д_{тр.внеш.}=Д_{к внутр.}-12Д₆₀

где Д_{тр.внеш.} - внешний диаметр вспомогательной трубы;

Д_{к внутр.} - внутренний диаметр трубы-кондуктора;

Д₆₀ - контролирующий диаметр частиц покрывающего грунта, которую извлекают из трубы-кондуктора при достижении последней верхней границы слабых грунтов, подлежащих закреплению, а через трубу-кондуктор под действием вибрации погружают инъектор на всю мощность закрепляемой толщи слабых грунтов и через него поинтервально нагнетают твердеющий раствор, поднимая каждый раз инъектор на высоту очередного инъектируемого интервала, причем все операции по инъектированию на одной точке закрепления выполняют за время релаксации уплотненного при вибропогружении трубы-кондуктора и инъектора грунта.

В частных случаях исполнение заявленного способа, а именно в слабых глинистых грунтах твердеющий раствор инъектируют при давлении нагнетания выше давления гидроразрыва, а в слабых зернистых грунтах твердеющий раствор инъектируют под давлением ниже давления гидроразрыва в точке закрепления с одновременным наложением вибрации на частицы грунта. Вибрацию частицам грунта передают через инъектор при его подъеме с включенным вибратором.

Заявленная совокупность существенных признаков не известна из предшествующего технического уровня и позволяет создать оптимальный по технологичности и достигаемым техническим результатам способ закрепления слабых грунтов, в том числе большой мощности.

Совмещение операций по созданию цилиндрической полости с поверхности с одновременным укреплением стенок этой полости трубой-кондуктором повышает технологичность способа.

Использование вибрации для создания цилиндрической полости и погружения инъектора позволяют повысить производительность и снизить энергозатраты. Использование в способе операции одновременного погружения под действием вибрации вспомогательной трубы и трубы-кондуктора обеспечивает быстрое образование цилиндрической полости без извлечения грунта на поверхность, а нормативный зазор между трубами, определяемый зависимостью

Д_{тр.внеш.}=Д_{к внутр.}-12Д₆₀,

обеспечивает свободное извлечение вспомогательной трубы из трубы-кондуктора при достижении последней верхней границы зоны закрепления, благодаря образованию в зазоре между трубами на уровне нижнего торца трубы-кондуктора свода естественного равновесия из частиц грунта контролирующего диаметра, который предотвращает проникновение грунта в зазор и расклинивание труб между собой.

Эти мероприятия обеспечивают оптимальные условия для заглубления инъектора через трубу-кондуктор на проектную глубину под действием вибрации и надежно предохраняют от прорыва закрепляющего раствора на поверхность во время инъектирования.

За счет использования в процессе создания цилиндрической полости и заглубления инъектора энергии вибрации в грунте вдоль трубы-кондуктора и инъектора формируется зона уплотненного грунта, аккумулирующая энергию виброуплотнения. Устойчивая релаксация уплотненного при вибропогружении кондуктора и инъектора грунта наблюдается в течении трех суток и обеспечивает надежное обжатие трубы-кондуктора грунтом, что предотвращает выход раствора на поверхность, и обжатие инъектора для разделения интервалов инъектирования.

Заявленный способ иллюстрируют следующие фигуры:

Фиг.1 Начальная стадия виброзаглубления трубы-кондуктора и вспомогательной трубы;

Фиг.2 Стадия виброзаглубления трубы-кондуктора и вспомогательной трубы до верхней границы слабых грунтов, подлежащих закреплению;

Фиг.3 Стадия виброизвлечения вспомогательной трубы;

Фиг.4 Стадия инъектирования.

Заявленный способ укрепления слабых грунтов осуществляют следующим образом.

На нижний конец вспомогательной трубы 1 (фиг.1) устанавливают по известной технологии коническую заглушку 2 вершиной 3 конуса вниз. Диаметр основания 4 конической заглушки 2 равен диаметру вспомогательной трубы 1.

Устанавливают вспомогательную трубу 1 с конической заглушкой 2 внутри трубы-кондуктора 5 соосно ей, а основание 4 конической заглушки располагают в плоскости нижнего торца трубы-кондуктора 5, после чего соединяют верхние концы вспомогательной трубы 1 и трубы-кондуктора 5 быстросъемным соединением 6.

Полученную компоновку верхним концом вспомогательной трубы присоединяют к вибропогружателю 7 с помощью прицепного устройства 8 и погружают под действием вибрации в грунт до верхней границы слабых грунтов, подлежащих закреплению (фиг.2).

После этого вспомогательную трубу 1 отсоединяют от трубы-кондуктора 5 и под действием вибрации извлекают из трубы-кондуктора. Вспомогательная труба 1 легко извлекается из трубы-кондуктора 5 благодаря расчетной величине внешнего диаметра вспомогательной трубы 1 Д_{тр.внеш}=Д_{к внутр.}-12Д₆₀, обеспечивающей зазор 9 между ними, равный 6Д₆₀, где Д₆₀ - контролирующий диаметр частиц покрывающего грунта 10, в результате чего в процессе погружения трубы-кондуктора 5 в зазоре 9 между внешней поверхностью вспомогательной трубы 1 и внутренней поверхностью трубы-кондуктора 5 на уровне конической заглушки 2 образуется свод естественного равновесия из частиц Д₆₀, который не позволяет проникать грунту в зазор 9 и расклинивать вспомогательную трубу 1 и трубу-кондуктор 5 между собой.

При погружении трубы-кондуктора 5 и вспомогательной трубы 1 под действием вибропогружателя 7 грунт на контакте с трубой-кондуктором уплотняется на расстояние трех внешних радиусов поперечного сечения трубы-кондуктора 5 (фиг.2) и воспринимает энергию виброуплотнения, которая сохраняется в грунте до 3 суток после чего постепенно релаксирует до естественного фона напряжений.

Вспомогательную трубу 1, извлеченную из трубы-кондуктора 5 отсоединяют от вибропогружателя 7, а к нему подсоединяют инъектор 11 (фиг.4) и через трубу-кондуктор 5 погружают под действием вибрации в закрепляемый слабый грунт 12 на проектную глубину закрепления. Инъектирование осуществляют следующим образом: поднимают инъектор 11 на высоту закрепляемого интервала 13 и нагнетают под давлением расчетное количество твердеющего раствора, потом опять поднимают инъектор на высоту очередного интервала и повторяют инъектирование, в результате чего в конечном итоге создают массив закрепленного грунта необходимой формы и несущей способности.

В частных случаях исполнения твердеющий раствор нагнетают в закрепляемый интервал, например, 13 под давлением выше давления гидроразрыва, если слабые грунты глинистые, или под давлением ниже давления гидроразрыва в точке закрепления, но с одновременным наложением вибрации на частицы грунта, если слабые грунты зернистые.

Практическая применимость заявленного способа укрепления слабых грунтов показана следующими примерами исполнения.

Пример 1

Двухэтажное административное кирпичное здание - памятник культуры и строительства на ленточном фундаменте. Основание сложено просадочными суглинками мощностью до 12 м и частично мелами. Замачивание привело к неравномерным просадкам и образованию трещин в несущих стенах.

Укрепление слабых просадочных грунтов большой мощности осуществлялось следующим образом.

Диаметр сооружаемой цилиндрической полости выбран 89 мм, внешний диаметр трубы-кондуктора 89 мм, вибропогружатель марки ВБ-7.

В бесподвальной части здания используют трубу-кондуктор длиной 1,4 м.

В торцевых частях здания, где расположены подвалы глубиной 2,5 м, устанавливали трубы-кондукторы длиной 2,8 м. Внешний диаметр вспомогательной трубы определяют соотношеним.

Д_{тр.внеш}=Д_{к внутр.}-12Д₆₀

где Д_{к внутр.} -77 мм;

Д₆₀ - 0,1 мм

Д_{тр.внеш} - 75,8 мм;

Коэффициент фильтрации 0,007 м/сут.

Собирают компоновку из трубы-кондуктора в которую вставляют соосно вспомогательную трубу, на нижний конец которой устанавливают коническую заглушку вершиной конуса вниз. Диаметр основания конической заглушки равен внешнему диаметру вспомогательной трубы, а основание конической заглушки располагают в плоскости нижнего торца трубы-кондуктора. Погружают одновременно обе трубы под действием вибрации до достижения верхней границы закрепляемых слабых грунтов, т.е. до подошвы фундамента. После этого извлекают под действием вибрации вспомогательную трубу с конической заглушкой. Через трубу-кондуктор заглубляют на проектную глубину инъектор, и через него выполняют инъектирование твердеющего раствора поинтервально через 0,5 м, поднимая инъектор перед нагнетанием на высоту закрепляемого интервала. После инъектирования инъектор и трубу-кондуктор извлекают.

Закрепление выполнено в 103 точках, объем погружения инъекторов 846 м, закреплено 143 м³ грунта, расход цемента на весь объем работ - 58 т. На выполнение работы затрачено 36 бригадо/смен. Контрольное наблюдение за состоянием здания в течении четырех месяцев не показал каких-то отклонений с момента завершения работ по закреплению.

Пример 2.

Укрепление оснований столбчатых фундаментов, сложенных мелко- и среднезернистыми разуплотненными песками, при строительстве здания цеха металлургического комбината выполняли от поверхности дна котлована до глубины 5,0-10,5 м виброинъекционным методом при давлении нагнетания цементных растворов от 0,05 до 0,1 МПа, что ниже расчетного давления гидроразрыва в 1,6 раза.

Погружение и извлечение инъектора выполняли с наложением вибрации при одновременном непрерывном нагнетании цементного раствора через инъектор. Инъектирование на каждой точке выполнялось за один двойной проход инъектора на всю глубину закрепляемой толщи разуплотненного зернистого грунта. Инъекция выполнена в 451 точке. Объем закрепленного грунта 948 м³.

Вибрация оказывает взвешивающий эффект частицам грунта, что позволяет цементной суспензии свободно заполнять поровое пространство грунта, перемешиваться с ним, образуя после гидратации цемента цементогрунт высокой прочности в проектном объеме закрепления.

Совмещение операции погружения и извлечения инъектора с процессом нагнетания закрепляющего раствора более чем в 1,5 раза снизило время закрепления, повысило производительность труда при выполнении инъекционных работ и его технологичность, уменьшило затраты на выполнение закрепления грунтов основания фундаментов и снизило энергозатраты.

Как видно из примеров, заявленная совокупность существенных признаков позволяет решить поставленную задачу и создать технологичный способ закрепления слабых грунтов большой мощности, позволяющий использовать напряжение релаксации грунта после его виброуплотнения для герметизации трубы-кондуктора и инъектора при восходящем поинтервальном инъектировании, обеспечивающий достижение ожидаемых результатов.

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для закрепления слабых и просадочных грунтов на больших глубинах при сооружении и реконструкции фундаментов зданий и сооружений, а также для повышения устойчивости естественных оползневых склонов, искусственных откосов дамб, котлованов и карьеров. Способ закрепления слабых грунтов включает создание цилиндрической полости с поверхности, укрепление стенок цилиндрической полости трубой-кондуктором и инъектирование твердеющего раствора путем его подачи под давлением в грунт через инъектор. В грунтах большой мощности цилиндрическую полость создают и укрепляют ее стенки трубой-кондуктором путем одновременного ее погружения под действием вибрации с размещенной в ней соосно вспомогательной трубой, внешний диаметр которой определяют по приведенной зависимости, которую извлекают из трубы-кондуктора при достижении глубины расположения верхней границы слабых грунтов, подлежащих закреплению. Через трубу-кондуктор под действием вибрации подгружают инъектор на всю мощность закрепляемой толщи слабых грунтов и через него поинтервально нагнетают твердеющий раствор, поднимая каждый раз инъектор на высоту очередного инъектируемого интервала. Все операции по инъектированию на одной точке закрепления выполняют за время релаксации уплотненного при вибропогружении кондуктора и инъектора грунта. Технический результат состоит в повышении производительности, сокращении длительности процесса, снижении затрат, экономии энергии и в технологичности способа. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Способ закрепления слабых грунтов, включающий создание цилиндрической полости с поверхности, укрепление стенок цилиндрической полости трубой-кондуктором и инъектирование твердеющего раствора путем его подачи под давлением в грунт через инъектор, отличающийся тем, что в грунтах большой мощности цилиндрическую полость создают и укрепляют ее стенки трубой-кондуктором путем одновременного ее погружения под действием вибрации с размещенной в ней соосно вспомогательной трубой, внешний диаметр которой определяют соотношением

Д_{тр.внеш.}=Д_{к внутр.}-12Д₆₀

где Д_{тр.внеш.} - внешний диаметр вспомогательной трубы;

Д_{к внутр.} - внутренний диаметр трубы-кондуктора;

Д₆₀ - контролирующий диаметр частиц покрывающего грунта, которую извлекают из трубы-кондуктора при достижении глубины расположения верхней границы слабых грунтов, подлежащих закреплению, а через трубу-кондуктор под действием вибрации подгружают инъектор на всю мощность закрепляемой толщи слабых грунтов и через него поинтервально нагнетают твердеющий раствор, поднимая каждый раз инъектор на высоту очередного инъектируемого интервала, причем все операции по инъектированию на одной точке закрепления выполняют за время релаксации уплотненного при вибропогружении кондуктора и инъектора грунта.