СПОСОБ ВАКУУМНОГО УПЛОТНЕНИЯ ОСНОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ Российский патент 2020 года по МПК E02D3/11 

Изобретение относится к области строительства и предназначено для уплотнения грунтов при возведении зданий и сооружений.

Изобретение используется для подготовки обладающего необходимой несущей способностью основания под фундамент строительных конструкций, возводимых на несвязных грунтах, имеющих мелкодисперсную структуру, в том числе на ледо- и снежно-фирновых грунтах.

Определение терминов.

ГРУНТ: Любые горные породы, почвы, осадки и техногенные образования, рассматриваемые как многокомпонентные динамичные системы и как часть геологической среды и изучаемые в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью человека (ГОСТ 25100-2011: Грунты. Классификация, п. 3.8)

ДИСПЕРСНЫЙ ГРУНТ: Грунт, состоящий из совокупности твердых частиц, зерен, обломков и др. элементов, между которыми есть физические, физико-химические или механические структурные связи (ГОСТ 25100-2011: Грунты. Классификация, п. 3.9).

СТРУКТУРА ГРУНТА: Пространственная организация, определяемая размером, формой, характером поверхности, количественным соотношением структурных элементов грунта и характером связи между ними (ГОСТ 25100-2011: Грунты. Классификация, п.3.39)

ЛЕДОГРУНТ: Грунт, содержащий в своем составе более 90 % льда (ГОСТ 25100-2011: Грунты. Классификация, п. 3.16)

НЕСВЯЗНЫЙ ГРУНТ: Дисперсный грунт, обладающий механическими структурными связями и сыпучестью в сухом состоянии (ГОСТ 25100-2011: Грунты. Классификация, п. 3.23.)

ФИРН - ледяная порода плотностью от 450 до 800 кг/м³, состоящая из взаимосвязанных ледяных зёрен. Представляет собой переходную стадию между снегом и ледниковым льдом, образуется в горных областях, расположенных выше снеговой линии, и в полярных странах, где атм. осадки выпадают преимущественно в виде снега и за лето не успевают растаять. Снег превращается в фирн под действием солнечной радиации, оттепелей, в результате перекристаллизации и сублимации водяного пара. Различают фирны инфильтрационный, возникающий при повторном замерзании воды в снеге, сопровождающемся оседанием и перекристаллизацией; режеляционный, формирующийся вследствие округления, собирательной перекристаллизации и оседания снега; рекристаллизационный, образующийся в результате метаморфизма снега без участия жидкой воды. Первый обычно встречается в фирновых бас. горных ледников (до глуб. 20–30 м), второй и третий – в верхних горизонтах ледниковых покровов (в Антарктиде толщина фирна достигает 100 м). По величине зёрен выделяют мелкозернистый (менее 1 мм), среднезернистый (1–3 мм) и крупнозернистый (более 3 мм) фирн (География. Современная иллюстрированная энциклопедия. — М.: Росмэн. Под редакцией проф. А. П. Горкина. 2006).

СНЕГ —вид атмосферных осадков, состоящий из замерзших водяных паров, образующих ледяные кристаллы (Научно-технический энциклопедический словарь https://dic.academic.ru/dic.)

ЛЁД (а. ice; н. Eis; ф. glace; и. hielo) — вода в твёрдом состоянии. Лед встречается в природе в виде собственно льда (материкового, плавающего, подземного и др.), а также в виде снега, инея и т.д. ЛЕД — низкотемпературная мономинеральная горная порода, слагаемая наиболее лёгким минералом. В условиях Земли он находится в состоянии, близком к фазовому переходу его в воду (Горная энциклопедия. http://mining-enc.ru/l/led/).

Известны различные способы укрепления основания строящихся зданий и сооружений путем уплотнения грунта.

Известен способ динамического уплотнения грунта, включающий использование больших грузов, обычно от 10 до 100 тонн, падающих с высоты в основном 10-40 метров. Расположение точек удара на грунте и других параметров обработки (значений энергии, фазы, периодов отсутствия воздействия) зависит от характеристик обрабатываемой почвы и, возможно, от результатов измерений, полученных в зоне испытаний. Эти параметры определяют заранее на основе требуемых характеристик грунта (патент РФ № 2344 228 на изобретение «СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИНАМИЧЕСКОГО УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТА», МПК E02D 3/02, опубл. 20.02.2008). Известный способ характеризуется трудоемкостью и требует наличия большегрузной техники. Использование известного способа затруднительно для уплотнения замерзших грунтов и ледогрунтов, в том числе снежно-фирновых в удаленных и труднодоступных местах.

Известен способ уплотнения грунта, включающий погружение в грунт вибрирующего приспособления, выдержку указанного приспособления на данной глубине и периодическое, по мере подъема, повторное опускание его при непрерывной работе вибратора. (В.М. Зубков и др. «Способ глубинного виброуплотнения песчаных оснований». Основания, фундаменты и механика грунтов. №2, 1983, М.: Стройиздат, патент РФ № 2236503 на изобретение «СПОСОБ УПЛОТНЕНИЯ ПЕСЧАНОЙ ИЛИ ГРУНТОВОЙ ПОДСЫПКИ В ЗИМНЕЕ ВРЕМЯ», МПК E02D 3/02, E02D 3/046, опубл. 20.09.2004). Недостатками известного способа является неравномерная плотность грунта по глубине после уплотнения. Применение данного способа также затруднительно для ледогрунтов, в том числе снежно-фирновых.

Известен способ повышения прочности грунта путем его уплотнения, включающий погружение в грунт инъекторов, подачу через инъектор текучего цементного материала под давлением, измерение и регистрацию давления раствора, образование зоны упрочненного грунта и последующие погружения инъектора с образованием примыкающих зон упрочненного грунта; во время погружения инъектора определяют прочность грунта и при величине прочности менее допустимой осуществляют подачу текучего цементного материала под давлением, превышающим допустимую прочность грунта (патент СССР № 1114348, МКП E02D3/12, опубл. 15.09.84). Известный способ характеризуется сложностью и высокими трудо- и энергозатратами и, практически, неприменим для снежно-фирновых грунтов.

Общими недостатками, присущими вышеперечисленным способам уплотнения грунта, являются: длительная продолжительность уплотнения грунта, потребность в инертном материале пригрузочной насыпи и риск потери устойчивости основания в процессе предпостроечного уплотнения. Кроме того, использование известных методов имеет ограниченные возможности в высокогорных или высокоширотных регионах со стабильно низкими температурами воздуха, при которых снег не достигает температуры таяния или близкой к ней.

Известна наиболее близкая к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков и выбранная в качестве прототипа технология вакуумного уплотнения основания строительной конструкции (Menard Vacuum TM), разработанная компанией «Menard» (Франция). Технология вакуумного уплотнения основания строительной конструкции (вакуумирования грунта) состоит из следующих этапов:

- устройство вертикальных и горизонтальных дрен;

- размещение непроницаемой геомембраны поверх участка вакуумирования;

- герметичное закрепление мембраны в периметральных траншеях. Для этих же целей может быть выполнена грунтобентонитовая стена, если откопка требуется на значительную глубину;

- создание отрицательного давления в массиве грунта под герметичной мембраной посредством подключения к насосной станции;.

- проведение мониторинга уплотнения основания.

Технология вакуумного уплотнения позволяет значительно уменьшить или исключить потребность в пригрузочной насыпи и обеспечить соблюдение хорошей управляемости процесса консолидации, а соответственно, более точную прогнозируемость величин осадок. Основными преимуществами технологии вакуумного уплотнения являются: сокращение срока консолидации основания (по сравнению с классическим вертикальным дренажом); существенное снижение потребности в инертном материале пригрузочной насыпи; устранение риска потери устойчивости основания в процессе предпостроечной консолидации. Вакуумное уплотнение обеспечивает ускорение и срабатывание фильтрационной консолидации (первичная фильтрационная осадка) до начала эксплуатации сооружений, устойчивость основания и ограничение вторичной консолидации (ползучести скелета) до допустимых значений. (Н.В. Романов, Ж. Расинэ «Обзор современных методов усиления и стабилизации слабых оснований» Вестник МГСУ Том 13 Выпуск 4 (115) С. 499–513); http://www.menard-russia.ru/technology/vacuum-seal/). Известный способ может использоваться для мелкодисперсных грунтов, в том числе снежно-фирновых грунтов в регионах со стабильно низким температурами воздуха. Вместе с тем, известная технология требует значительных энерго- и трудозатрат, связанных с устройством вертикальных и горизонтальных дрен; периметральных траншей и обеспечением герметичного закрепления геомембраны по периметру вакуумируемого участка . Наиболее значнительные энергозатраты связаны с отсутствием нижней воздухонепроницаемой геомембраны.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является повышение эффективности технологии вакуумного уплотнения основания строительной конструкции применительно к несвязным грунтам, в частности, мелкодисперсным и снежно-фирновым.

Технический результат, достигаемый в результате решения поставленной задачи, заключается в снижении энерго- и трудозатрат на подготовку основания под фундамент строительной конструкции методом вакуумного уплотнения.

Указанный технический результат достигается тем, что способ вакуумного уплотнения основания строительной конструкции включает: обустройство котлована в месте установки опоры строительной конструкции путем выемки грунта; размещение в полости котлована непроницаемой геомембраны с образованием герметичной емкости; заполнение емкости несвязным грунтом; создание отрицательного давления в массиве несвязного грунта внутри герметичной емкости посредством ее подключения к насосной станции.

Предпочтительно, чтобы котлован был обустроен с площадью, на 10 —20% превышающей площадь опоры строительной конструкции.

Предпочтительно, чтобы в качестве насосной станции был использован вакуумный насос.

Предпочтительно, чтобы в процессе уплотнения осуществлялся мониторинг параметров уплотнения грунта.

Предпочтительно, чтобы в качестве несвязного грунта был использован мелкодисперсный грунт, или ледогрунт, или снежно- фирновый грунт.

Сопоставительный анализ заявляемого изобретения с прототипом показал, что во всех случаях исполнения, оно отличается от известного, наиболее близкого технического решения:

- обустройством котлована в месте установки опоры строительной конструкции путем выемки грунта;

- размещением непроницаемой геомембраны в полости котлована с образованием герметичной емкости;

- заполнением емкости несвязным грунтом;

- подключением герметичной емкости к насосной станции.

В предпочтительных случаях исполнения изобретение отличается от известного, наиболее близкого технического решения:

- обустройством котлована с площадью, на 10 — 20% превышающей площадь опоры строительной конструкции;

- использованием вакуумного насоса в качестве насосной станции;

- использованием качестве несвязного грунта мелкодисперсного грунта, или ледогрунта, или снежно- фирнового грунта.

Обустройство котлована в месте установки опоры строительной конструкции путем выемки грунта; размещение в полости котлована непроницаемой геомембраны с образованием герметичной емкости; заполнение емкости несвязным грунтом; создание отрицательного давления в массиве несвязного грунта внутри герметичной емкости посредством ее подключения к насосной станции позволяет уплотнить несвязный, в том числе, мелкодисперсный и снежно-фирновый грунт до необходимой величины. При этом отсутствует необходимость размещения геомембраны на больших площадях, установки дрен и периметральных траншей, что значительно сокращает материало- и трудо- затраты, позволяя использовать заявляемый способ при строительстве зданий и сооружений в труднодоступных высокогорных районах и районах с низкими температурами.

Способ вакуумного уплотнения основания строительной конструкции включает обустройство котлована в месте установки опоры строительной конструкции путем выемки несвязного грунта (мелкодисперсного, снежно-фирнового и пр.). Площадь обустраиваемого котлована должна на 10—20% превышать площадь опоры строительной конструкции. В полости котлована размещают непроницаемую геомембрану, например, геотекстильную ткань, с образованием герметичной емкости, например, в виде мешка из геотекстильной ткани. Емкость заполняют несвязным грунтом, на ёмкости монтируется патрубок с клапаном, герметизированный хомутами. После чего в массиве несвязного грунта внутри герметичной емкости создают отрицательное давление посредством подключения емкости к насосной станции, в качестве которой может быть использован вакуумный насос. В качестве средства подключения вакуумного насоса к герметичной емкости может быть использован шланг.

Изобретение работает следующим образом.

При подключении герметичной емкости с несвязным грунтом к насосной станции, создается отрицательное давление, эквивалентное нагрузке 70…80 кПа, что соответствует давлению от насыпи высотой 3…4 м. Между зернистой структурной обрабатываемого грунта, локализованного внутри герметичной емкости, с помощью вакуумного насоса удаляют влагу и воздух, что приводит к уплотнению грунта. Количество точек подключения вакуумного насоса к герметичной емкости определяется габаритами герметичной емкости. В процессе вакуумирования осуществляют мониторинг параметров уплотнения грунта, в том числе, с использованием вакуумметров, тензометров, инклинометров, поверхностных и глубинных осадочных марок и других средств измерения и контроля, обеспечивая управление процессом уплотнения.

Изобретение может быть использовано в высокогорных или высокоширотных регионах с повышенной солнечной радиацией, высокой отражающей способностью окружающего снежного покрова и стабильно низким температурами воздуха, при которых снег не достигает температуры таяния или близкой к ней.

Изобретение относится к области строительства и предназначено для уплотнения грунтов при возведении зданий и сооружений. Способ вакуумного уплотнения основания строительной конструкции включает обустройство котлована в месте установки опоры строительной конструкции путем выемки грунта; размещение в полости котлована непроницаемой геомембраны с образованием герметичной емкости; заполнение емкости несвязным грунтом; создание отрицательного давления в массиве несвязного грунта внутри герметичной емкости посредством ее подключения к насосной станции. Технический результат состоит в обеспечении подготовки обладающего необходимой несущей способностью основания под фундамент строительных конструкций, возводимых на несвязных грунтах, имеющих мелкодисперсную структуру, в том числе на ледо- и снежно-фирновых грунтах, повышении эффективности технологии вакуумного уплотнения основания строительной конструкции применительно к несвязным грунтам, снижении энерго- и трудозатрат на подготовку основания под фундамент строительной конструкции методом вакуумного уплотнения. 4 з.п. ф-лы.

1. Способ вакуумного уплотнения основания строительной конструкции, включающий: обустройство котлована в месте установки опоры строительной конструкции путем выемки грунта; размещение в полости котлована непроницаемой геомембраны с образованием герметичной емкости; заполнение емкости несвязным грунтом; создание отрицательного давления в массиве несвязного грунта внутри герметичной емкости посредством ее подключения к насосной станции.

2. Способ вакуумного уплотнения по п. 1, отличающийся тем, что котлован обустраивается с площадью, на 10-20% превышающей площадь опоры строительной конструкции.

3. Способ вакуумного уплотнения по п. 1, отличающийся тем, что в качестве насосной станции используется вакуумный насос.

4. Способ вакуумного уплотнения по п. 1, отличающийся тем, что осуществляется мониторинг параметров уплотнения грунта.

5. Способ вакуумного уплотнения по п. 1, отличающийся тем, что в качестве несвязного грунта использован мелкодисперсный грунт, или ледогрунт, или снежно-фирновый грунт.