Способ закрепления слабого грунта в основании фундаментной плиты Российский патент 2023 года по МПК E02D3/12 

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при возведении зданий и сооружений на основаниях, в которых на некоторой глубине присутствует слой слабого грунта. Указанные инженерно-геологические условия характерны, например, для участков, на которых по слою слабого грунта отсыпалась песчаная подушка, или приморских территорий, где под слоем песка залегают многометровые толщи илов (Ю.М. Глебова, А.Л. Невзоров. Регрессионный анализ индекса компрессии отложений ила на побережье Белого моря. Construction and Geotechnics, 2022 - т.13, №2. с.18-33; M. Faisal. Marine soft clays of Santos, Brazil: Building settlements and geological history // Proceedings of the 16th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, 12–16 September. – Osaka, Japan. – 2006. – P. 405–408).

Слабыми считаются связные грунты с прочностью на сдвиг менее 75 кПа (при испытании методом вращательного среза) и модулем деформации менее 5 МПа, в частности, к ним относятся илы и глинистые грунты с показателем текучести свыше 0,5 (п. 3.1 ГОСТ Р 54476–2011). В свою очередь модуль деформации менее 5 МПа является признаком очень сильно деформируемых грунтов (табл. В.5 ГОСТ 25100–2020).

Известен способ возведения зданий и сооружений на свайном фундаменте, в котором сваи прорезают всю толщу слабого грунта (С.И. Алексеев. Основания и фундаменты: учебное пособие. - СПб: ПГУПС, 2007 г. с.12 - аналог). Способ обеспечивает надежное проектное решение, но отличается высокой стоимостью и трудоемкостью.

Известен способ возведения зданий и сооружений на фундаментной плите (С.И. Алексеев. Основания и фундаменты: учебное пособие. - СПб: ПГУПС, 2007 г. с.52 - аналог). При наличии слоя слабого грунта большой мощности фундаментная плита не позволяет обеспечить допустимые значения осадки основания, так как одновременно со снижением давления под подошвой применение плиты ведет к росту глубины распространения напряжений. Кроме того, фундаментной плите присущ большой расход стали на армирование и неравномерная осадка при переменной толщине слоя слабого грунта или неравномерных нагрузках от наземных конструкций (M. Faisal. Marine soft clays of Santos, Brazil: Building settlements and geological history // Proceedings of the 16th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, 12–16 September. – Osaka, Japan. – 2006. – P. 405–408).

Известен способ возведения здания на плитно-ребристом фундаменте по техническому решению, согласно которому на поверхность грунта между направленными вниз ребрами плиты укладывают демпфирующие прокладки (Патент РФ №2561441 С1, МПК E02D 27/12, 2014 г.). На первой стадии работы фундамента нагрузка на основание передается через ребра, что приводит к формированию в залегающем с поверхности слое надежного грунта, в частности, в песчаной подушке, локальных зон уплотнения. На второй стадии – после осадки фундаментной плиты на величину, равную высоте прокладок, нагрузка на основание начинает передаваться в том числе и на участках плиты между ребрами. Перераспределение напряжений ведет к снижению изгибающих моментов в плите, а значит, и меньшему расходу арматуры по сравнению с плоской плитой, но осадка основания снижается незначительно - всего лишь на 10–15%, так как сжимаемость слоя слабого грунта и нагрузки от здания остаются неизменными. Кроме того, изготовление плиты с направленными вниз ребрами сложно технологически.

Известен способ возведения здания на свайно-плитном фундаменте по техническому решению, согласно которому на головах свай размещают демпфирующие прокладки и устраивают подвижный стык свай с плитой ростверка (Патент РФ №2301303 С2, МПК E02D 27/12, 2006 г. - аналог). Способ обеспечивает передачу части нагрузки от здания на грунт в межсвайном пространстве через подошву ростверка. Его недостатком, кроме высокой стоимости и трудоемкости, является отсутствие надежного сопряжения свай с ростверком, что снижает эксплуатационную надежность фундамента.

Известен способ возведения свайно-плитного фундамента, включающий устройство свайного поля и плиты-ростверка, в котором сваи погружают по периметру фундамента, а плиту-ростверк выполняют состоящей из двух частей - внешней, опирающейся на сваи, и внутренней, опирающейся на грунт основания (Патент РФ №2379425 С1, МПК E02D 27/12,2010 г. - аналог). По мере развития осадки внутренней части плиты-ростверка, на которую опирается здание, нагрузка сначала передается на грунты основания через подошву, а после достижения расчетной осадки внешнюю и внутреннюю части плиты-ростверка объединяют, обеспечивая совместную работу свайно-плитного фундамента. Недостатком способа, кроме высокой стоимости и трудоемкости, является возможность развития в начальный период эксплуатации здания неравномерной осадки из-за неоднородности грунтов основания. Кроме того, расположение свай лишь по периметру плиты влечет большой расход стали на ее армирование.

Исключить чрезмерные осадки фундаментной плиты позволяет закрепление слабого грунта, которое с целью сокращения затрат, как правило, выполняют с определенным шагом, формируя не сплошной массив, а отдельные элементы закрепленного грунта или грунтобетона (СП 22.13330.2016. Основания зданий и сооружений. М.: Минстрой. 2016, с. 113-114 - аналог). Заметим, что основание, в котором присутствуют указанные элементы, называют искусственным.

Известен способ закрепления грунта методом струйной цементации, в котором при формировании грунтобетонных элементов движение рабочего органа осуществляется сверху вниз с подачей под высоким давлением сначала водо-воздушной смеси, а затем цементного раствора (Патент EP 2031132 A2, МПК E02D 3/12, 2007 г. - аналог). Нагнетаемый в нижнюю часть колонн цементный раствор перемещается вверх и заполняет поры в ранее разрушенном водо-воздушной струей грунте, а не изливается на поверхность, как это обычно происходит при струйной цементации. Двухстадийное закрепление позволяет снизить потери раствора, однако в связи с тем, что грунтобетонные элементы формируются на всю высоту слоя слабого грунта - от подошвы до кровли, этот грунт полностью исключается из работы и вся нагрузка от сооружения передается на нижележащие слои надежного грунта через эти элементы (S. Varaksin et al. Ground improvement vs. pile foundations? ISSMGE – ETC. Int. Symp. On Design of Piles in Europe. Leuven, Belgium, 28-29 April 2016. 48 p.). Отсутствие сжатия слабого грунта снижает продольную устойчивость расположенных в нем грунтобетонных элементов, а на их верхних торцах наблюдается концентрация напряжений. Принимая во внимание указанные особенности искусственного основания, обычно рекомендуют задавать конструкционную прочность грунтобетона с существенным запасом относительно сопротивления по грунту основания (Справочник геотехника. Основания, фундаменты и подземные сооружения/ Под ред. В.А. Ильичева и Р.А. Мангушева. - М.: Изд-во АСВ, 2016. - с. 407).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ возведения сооружения на слабонесущих грунтах, включающий отсыпку подушки поверх естественного основания, проходку технологических скважин до несущих слоев основания, закрепление слабонесущего грунта цементным раствором через технологические скважины методом струйной цементации, удаление изливающейся на поверхность части раствора и отсыпку второго слоя насыпи до проектных отметок (Патент РФ №2592004 С1, МПК E02D 17/18, 2016 г. - прототип). Как и в предыдущем способе, слабый грунт закрепляется на всю высоту слоя, а массив грунта между грунтобетонными элементами полностью исключается из работы. Способу присущи потери изливающегося на поверхность цементного раствора.

Задачей изобретения является повышение эффективности закрепления слабого грунта в основании фундаментной плиты, обеспечение равномерной осадки основания и снижение возникающих в плите изгибающих моментов.

Это достигается тем, что в способе закрепления слабого грунта в основании фундаментной плиты, включающем отрывку котлована, проходку технологических скважин через песчаную подушку до подошвы слоя слабого грунта и закрепление слабого грунта через технологические скважины методом струйной цементации с формированием грунтобетонных элементов снизу-вверх, причем закрепление прекращают, когда верхние торцы грунтобетонных элементов не достигли песчаной подушки, а расстояние от верхних торцов этих элементов до песчаной подушки задают различным в зависимости от действующих на фундаментную плиту нагрузок. Благодаря переменной высоте грунтобетонных элементов изменяется напряженное состояние основания, обеспечивается выравнивание осадки фундаментной плиты, снижаются возникающие в ней изгибающие моменты, повышается продольная устойчивость самих элементов. Высоту грунтобетонных элементов определяют расчетом, например, путем численного моделирования.

На фиг. 1 показан вертикальный разрез искусственного основания с опирающейся на него фундаментной плитой.

Способ осуществляют следующим образом.

В основании возводимого здания на некоторой глубине расположен слой слабого грунта 1. Сверху он перекрыт слоем песка 2, называемого песчаной подушкой, и подстилается снизу малосжимаемым грунтом 3.

После отрывки котлована 4 выполняют проходку технологических скважин (не показаны) через песчаную подушку 2 до подошвы слоя слабого грунта 1. Через технологические скважины методом струйной цементации закрепляют грунт 1, формируя грунтобетонные элементы 5 снизу-вверх от подошвы слоя слабого грунта. Струйную цементацию выполняют таким образом, чтобы верхние торцы грунтобетонных элементов не достигали песчаной подушки, причем в пределах контура здания расстояние от верхних торцов этих элементов до подушки задают различным в зависимости от действующих на плиту нагрузок. Различным может задаваться и расстояние между элементами. Для ограничения горизонтальных перемещений грунта 1 верх крайних грунтобетонных элементов, расположенных вне контура здания, может располагаться в слое 2 (не показаны).

Высота грунтобетонных элементов 5, меньшая толщины слоя слабого грунта 1, позволяет передать на этот слой часть действующих на плиту 6 нагрузок, обеспечить его сжатие и реализовать сопротивление грунта по боковой поверхности грунтобетонных элементов, а также повысить их продольную устойчивость. Переменная высота грунтобетонных элементов позволяет изменять напряженное состояние основания таким образом, чтобы добиться равномерной осадки фундаментной плиты и снизить возникающие в ней изгибающие моменты. Высоту элементов следует определять расчетом, например, путем численного моделирования.

Снижение высоты грунтобетонных элементов позволяет сократить расход цементного раствора на закрепление грунта и уменьшить объем его выхода на поверхность при производстве работ.

Возможно применение предлагаемого способа при реконструкции зданий, в том числе, при развитии неравномерной осадки основания.

Пример

В примере приводятся результаты численного моделирования фундаментной плиты на искусственном основании со сформированными по предлагаемому способу грунтобетонными элементами, а также на естественном основании без закрепления грунта.

Основание представлено залегающим с поверхности слоем песка толщиной 2,5 м, который подстилается слоем ила переменной толщины – от 1,0 до 7,0, под илом расположен суглинок (фиг. 2). Свойства грунтов приведены в таблице 1.

Таблица 1

Свойства грунтов Грунт Песок Ил Суглинок Удельный вес, кН/м³ 20,0 16,0 22,0 Одометрический модуль деформации, МПа 22,5 1,1 30,0 Коэффициент Пуассона 0,3 0,35 0,35 Угол внутреннего трения, град 30 10 20 Удельное сцепление, кПа 1 10 30

Фундаментная плита толщиной 0,5 м имеет размеры в плане 18×36 м. Верх фундаментной плиты совпадает с поверхностью грунта, расстояние от подошвы плиты до кровли ила составляет 2 м.

Рассматривалось два сооружения:

1. Жилой дом с нагрузкой от наружных продольных несущих стен 250 кН/м, от внутренней продольной несущей стены - 400 кН/м, от наружных поперечных самонесущих стен - 100 кН/м. Нагрузка от собственного веса плиты 12,5 кПа.

2. Емкость с жидкостью, например, из системы одно из сооружений системы водоочистки. На плиту действует равномерно распределенная нагрузка интенсивностью 62,5 кПа или с учетом собственного веса плиты 75 кПа.

Предельная осадка основания составляет 180 мм.

Численное моделирование выполнялось в программе Plaxis 3D. Модель основания с фундаментной плитой показана на фиг. 2. Размеры модели в плане приняты в два раза больше размеров плиты - 36×72 м, высота - 15 м.

Грунтобетонные элементы диаметром 1,5 м, размещались по квадратной сетке 3×3 м. Высота элементов задавалась переменной, расстояние от их верхних торцов до песчаной подушки изменялось от 1,0 м до 2,5 м. На фиг. 3 показано расположение элементов под жилым домом (сооружение 1), а на фиг. 4 – под емкостью (сооружение 2). Грунтобетонные элементы обозначены различными цветами в зависимости от отметок верхних торцов: -3,5 м – красным; -4,0 м – желтым; -4,5 м – зеленым; -5,0 м – голубым.

Отметка низа песчаной подушки в рассматриваемой модели составляет -2,5 м, поэтому, например, отметке верха элементов -3,5 м соответствует расстояние до песчаной подушки 1,0 м, а отметке -5,0 м – расстояние 2,5 м.

Для первого сооружения на фиг. 5 представлены значения осадки, на фиг. 6 - изгибающих моментов в поперечном направлении, на фиг. 7 - изгибающих моментов в продольном направлении. Для второго сооружения результаты вычисления осадки представлены на фиг. 8, изгибающих моментов в поперечном направлении - на фиг. 9, изгибающих моментов в продольном направлении - на фиг. 10. Выше продольной оси симметрии на указанных рисунках показаны значения осадки и изгибающих моментов для плиты на естественном основании, а ниже оси симметрии – для плиты на искусственном основании.

Максимальные и минимальные значения осадки основания и максимальные значения изгибающих моментов, возникающих в плите в пролете между стенами, приведены в таблице 2.

Таблица 2

Сооружение Основание Максимальная осадка, мм Минимальная осадка, мм Максимальный поперечный изгибающий момент,
Н·м/м Максимальный продольный изгибающий момент,
кН·м/м 1.Жилой дом Естественное 352 185 368,2 165,8 Искусственное 179 159 324,1 112,8 2.Емкость Естественное 332 168 229,7 182,1 Искусственное 180 164 96,1 96,3

Грунтобетонные элементы позволили выровнять осадку основания и уменьшить ее до значений, установленных нормами проектирования. Кроме того, за счет выравнивания осадки, удалось перераспределить напряжения в плите и уменьшить изгибающие моменты. В зависимости от направления действия для первого сооружения они снизились в 1,14-1,47 раза, для второго – в 1,89-2,39 раза.

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при возведении зданий и сооружений на основаниях, в которых на некоторой глубине присутствует слой слабого грунта. Способ закрепления слабого грунта в основании фундаментной плиты включает отрывку котлована, проходку технологических скважин через песчаную подушку до подошвы слоя слабого грунта и закрепление слабого грунта через технологические скважины методом струйной цементации с формированием грунтобетонных элементов снизу-вверх. Закрепление прекращают, когда верхние торцы грунтобетонных элементов не достигли песчаной подушки, а расстояние от верхних торцов этих элементов до песчаной подушки задают различным в зависимости от действующих на фундаментную плиту нагрузок и определяют расчетом путем численного моделирования. Технический результат состоит в повышении эффективности закрепления слабого грунта в основании фундаментной плиты, обеспечении равномерной осадки основания и снижении возникающих в плите изгибающих моментов. 10 ил., 2 табл.

Способ закрепления слабого грунта в основании фундаментной плиты, включающий отрывку котлована, проходку технологических скважин через песчаную подушку до подошвы слоя слабого грунта и закрепление слабого грунта через технологические скважины методом струйной цементации с формированием грунтобетонных элементов снизу-вверх, отличающийся тем, что закрепление прекращают, когда верхние торцы грунтобетонных элементов не достигли песчаной подушки, а расстояние от верхних торцов этих элементов до песчаной подушки задают различным в зависимости от действующих на фундаментную плиту нагрузок и определяют расчетом путем численного моделирования.