СПОСОБ УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК E02D3/12 

Изобретение относится к области строительства, а именно к технологии и средствам уплотнения грунта при возведении 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 способ и 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 (RU № 2059044 C1, E02D 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 участка грунта.

Технической задачей настоящего изобретения 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 способ уплотнения грунта включает нагнетание цементного раствора через инъекторы в виде перфорированных труб с одновременно разрушаемыми заглушками перфорации, осуществляемое через или под расположенную на дисперсном грунте бетонную плиту в виде пригруза или с размещенным на ней пригрузом с обеспечением гидроразрыва грунта при давлении гидроразрыва 3,0-20,0 атм. При этом после гидроразрыва грунта цементным раствором осуществляют обжатие грунта путем расширения трещин гидроразрыва за счет подачи цементного 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 при глубине инъектирования 3,0-8,0 м. В случае уплотнения глинистых обводненных грунтов или водонасыщенных суглинков и супесей осуществляют изменение, по крайней мере на одну категорию, их консистенции за счет отжатия и отвода содержащейся в них воды. В способе уплотнения 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.

В устройстве для осуществления описанного выше способа уплотнения грунта поставленная задача достигается тем, что устройство для инъектирования цементного раствора выполнено в виде перфорированной по боковой поверхности трубы, отверстия перфорации которой заглушены одновременно разрушаемыми при заданном давлении цементного раствора заглушками, выполненными в виде перекрывающей отверстия перфорации ленты, расположенной по спирали или в виде колец. При этом лента может быть выполнена с липким слоем, обращенным к перфорированной трубе, а заглушки могут быть образованы несколькими слоями ленты, количество которых определено заданной величиной давления гидроразрыва в грунте. В устройстве для инъектирования цементного раствора перфорированная труба снабжена не разрушаемой при давлении гидроразрыва нижней торцевой заглушкой.

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

на фиг.2 представлена схема расположения инъекторов в плане и направление подачи в них раствора А - радиально, Б - по спирали.

Способ уплотнения грунта включает нагнетание цементного раствора через инъекторы 1 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 отвод 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 (фиг.2 - Б), последовательно в каждый инъектор или с шагом через 1-3 инъектора. Возможно, как другой вариант (фиг.2 - А), 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.

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 (2-3) 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 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 лакируется специальным цементным раствором. Выпуск инъектора над фундаментной плитой составляет 5-10 см. После этого вяжется арматурный каркас согласно проекту обустройства фундаментной плиты. После обустройства фундаментной плиты через арматурный каркас наращивают инъекторы глухими трубами таким образом, чтобы инъекторы возвышались на 10-20 см над будущей фундаментной плитой и фундаментная плита заливается бетоном. Инъектора перед опусканием обматываются скотчем для создания давления гидроразрыва. После 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 повышаются 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 каркас в уплотненном и улучшенном массиве грунта.

Пример 2.

На оползнеопасном склоне, сложенном насыпными и тугопластичными суглинками естественного сложения, погружаются инъекторы с шагом 4×4 м на глубину от 3 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.

Изобретение относится к области строительства, а именно к технологии и средствам уплотнения грунта при возведении 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 настоящего изобретения 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 способ уплотнения грунта включает нагнетание цементного раствора через инъекторы в виде перфорированных труб с одновременно разрушаемыми заглушками перфорации, осуществляемое через или под расположенную на несвязанном грунте бетонную плиту в виде пригруза или с размещенным на ней пригрузом с обеспечением гидроразрыва грунта при давлении гидроразрыва 3,0-20,0 атм. При этом после гидроразрыва грунта цементным раствором осуществляют обжатие грунта путем расширения трещин гидроразрыва за счет подачи цементного 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 при глубине инъектирования 3,0-8,0 м. В случае уплотнения глинистых обводненных грунтов или водонасыщенных суглинков и супесей осуществляют изменение, по крайней мере на одну категорию, их консистенции за счет отжатия и отвода содержащейся в них воды. В способе уплотнения 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. В устройстве для осуществления описанного выше способа уплотнения грунта поставленная задача достигается тем, что устройство для инъектирования цементного раствора выполнено в виде перфорированной по боковой поверхности трубы, отверстия перфорации которой заглушены одновременно разрушаемыми при заданном давлении цементного раствора заглушками, выполненными в виде перекрывающей отверстия перфорации ленты, расположенной по спирали или в виде колец. При этом лента может быть выполнена с липким слоем, обращенным к перфорированной трубе, а заглушки могут быть образованы несколькими слоями ленты, количество которых определено заданной величиной давления гидроразрыва в грунте. В устройстве для инъектирования цементного раствора перфорированная труба снабжена не разрушаемой при давлении гидроразрыва нижней торцевой заглушкой. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ уплотнения грунта, включающий нагнетание цементного раствора через инъекторы в виде перфорированных труб с одновременно разрушаемыми заглушками перфорации, осуществляемое через или под расположенную на дисперсном грунте бетонную плиту в виде пригруза или с размещенным на ней пригрузом с обеспечением гидроразрыва грунта при давлении гидроразрыва 3,0-20,0 атм.2. Способ уплотнения грунта по п.1, в котором после гидроразрыва грунта цементным раствором осуществляют обжатие грунта путем расширения трещин гидроразрыва за счет подачи цементного раствора.3. Способ уплотнения грунта по п.2, в котором подачу цементного раствора для расширения трещин гидроразрыва осуществляют непрерывно в пульсирующем режиме.4. Способ уплотнения грунта по п.1, в котором расстояние между продольными осями инъекторов выбирают из диапазона 2,0-4,0 м при глубине инъектирования 3,0-8,0 м5. Способ уплотнения грунта по п.2, в котором при уплотнении глинистых обводненных грунтов или водонасыщенных суглинков и супесей осуществляют изменение, по крайней мере, на одну категорию их консистенции за счет отжатия и отвода содержащейся в них воды.6. Способ уплотнения грунта по п.1 или 5, в котором инъекторы в плане располагают 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.7. Способ уплотнения грунта по п.1 или 5, в котором инъекторы в плане располагают рядами, а подачу цементного раствора в их рядах осуществляют 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.8. Устройство для инъектирования цементного раствора способом по п.1, выполненное в виде перфорированной по боковой поверхности трубы, отверстия перфорации которой заглушены одновременно разрушаемыми при заданном давлении цементного раствора заглушками, выполненными в виде перекрывающей отверстия перфорации ленты, расположенной по спирали или в виде колец.9. Устройство для инъектирования цементного раствора по п.8, в котором лента выполнена с липким слоем, обращенным к перфорированной трубе.10. Устройство для инъектирования цементного раствора по п.8 или 9, в котором заглушки образованы несколькими слоями ленты, количество которых определено заданной величиной давления гидроразрыва в грунте.11. Устройство для инъектирования цементного раствора по п.1, в котором перфорированная труба снабжена не разрушаемой при давлении гидроразрыва нижней торцевой заглушкой.