Способ упрочнения грунта основания сооружения Советский патент 1990 года по МПК E02D3/12 E02D5/62 E02D27/12 

(21)4619278/23-33

(22)15.12.88

(46) 30.05.90. Бюл. № 20 (71 ) Московский инженерно-строительный институт им. В.В.Куйбышева (72) А.Л.Крыжановский, Х.И.Бокижанов и В.Н.Потапов

(53)624.138.2 (088.8)

I

(56)Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений ( к СНиП 2.02.01-83). М.: Стройиздат, 1986, с. 263-268.

Абелев М.Ю. Слабые водонасьпценные глинистые грунты как основания сооружений. М.: Стройиздат, 1973.

Авторское свидетельство СССР № 903484, кл. Е 02 D 27/28, 1982.

Патент Англии № 880736, 68(2), 1961 .

(54)СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ГРУНТА ОСНОВАНИЯ СООРУЖЕНИЯ

(57)Изобретение относится к строительству, а именно к технологическо му процессу упрочнения грунта основа- i ния, осуществляемого до начала и во

время строительства. Цель изобрете- . ния - повышение несущей способности грунта основания. Способ включает формирование в основании стволов свай путем образования скважин, размещения в них эластичных оболочек, подачу под давлением сжатого воздуха и наполнителя, причем скважины располагают на расстоянии друг от друга, равном 5- 10 диаметров ствола сваи, а подачу сжатого воздуха и наполнителя в эластичные оболочки осуществляют циклически, с выдержкой постоянного давления на каждом цикле нагружения, причем давление сжатого воздуха равно суммарному значению дополнительных нормальных напряжений, действующих в

горизонтальном направлении, которые

I.ion определяют по зависимости (

-с. и)/(-Гн- , где ау г б значения природных нормальных напряжений, действующих в горизонтальной и вертикальной плоскостях; Ј - коэффициент передачи бокового давления; Ј - коэффициент проектируемого напряженного состояния основания сооружения. 2 з.п. ф-лы, 12 ил.

3

(Л

ел

э 1 J

&о

4

Изобретение относится к строительству, а именно к технологическому процессу упрочнения грунта основания, осуществляемого до начала и во время строительства. Цель изобретения - повышение несущей способности грунта основания. Способ включает формирование в основании стволов свай путем образования скважин, размещения в них эластичных оболочек, подачу под давлением сжатого воздуха и наполнителя, причем скважины рсполагают на расстоянии друг от друга, равном 5-10 диаметров ствола сваи, а подачу сжатого воздуха и наполнителя в эластичные оболочки осуществляют циклически, с выдержкой постоянного давления на каждом цикле нагружения, причем давление сжатого воздуха равно суммарному значению дополнительных нормальных напряжений, действующих в горизонтальном направлении, которые определяют по зависимости Σ_X,Y = (Σ_X,Y - Σ_*00Z^.ξ_н)/(ξ^.ξ_н-1), где Σ_X,Y

Σ_*00Z - значения природных нормальных напряжений, действующих в горизонтальной и вертикальной плоскостях

ξ - коэффициент передачи бокового давления

ξ_н - коэффициент проектируемого напряженного состояния основания сооружения. 2 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к строительству, а именно к технологическому процессу упрочнения грунта основания, осуществляемого до начала и во время строительства.

Оелью изобретения является повышение несущей способности грунта основания.

На фиг.1 схематически изображен план преобразования основания с активными зонами упрочняемого грунта; на фиг.2 - разрезы преобразуемого основания; на фиг.3 - то же, вариант выполнения; на фиг.4 - то же, вариант выполнения; на фиг.5 - схема отдельно стоящего ствола спаи, используемого

для предварительного напряжения грунта основания; на фиг.6 - то же, вариант выполнения; на фиг.7 - то же, вариант выполнения; на фиг.8 - график упрочнения грунта основания; на фиг.9 - кривые распределения напряжений в грунте при взаимном влиянии скважин под давлением; на фиг.10 - фрагмент пространственной эпюры до- полнительных нормальных напряжений по некоторому горизонтальному сечению при предварительном напряжении основания с коэффициентом неоднородности (j/ 1,0; на фиг. 1 1 - график зависи- мости Ц F (L); на фиг. 12 - траектории нагружения основания под центральной частью сооружения при различных значениях Ји и характер соответствующего деформирования образца грунта при трехосном испытании в ста- билометре.

Способ упрочнения сваями основания сооружения реализуют следующим образом .

До начала возведения сооружения 1 в его основании 2 формируют стволы свай 3 путем образования скважин А с последующим размещением в них элас- тичных оболочек 5. Для ослабления релаксации напряжений свайное поле на один ряд превышает по своим размерам в плане пятно застройки будущего сооружения. Далее производят опрессов ку грунта основания путем циклической (неоднократной) подачи сжатого воздуха и наполнителя 6 (сыпучий материал в воздушно-сухом состоянии)в эластичные оболочки. На фиг. 2-7 показаны соответственно размеры свайного поля и отдельные стволы свай при различной реализации описываемого способа; на фиг.2 и 5 - без какого-либо преобразования верхнего слоя основания. В этом случае в верхней зоне основания оставляют непреобраэованный предлагаемым способом слой 7 основания толщиной Н,, используемой в качестве пригрузки. На фиг.З и 6 - с закреплением

грунта верхнего слоя основания, что уменьшает Н,; на фиг.4 и 7 - с использованием плитной конструкции фундамента 8 и надфундаментной части сооружения (не показана), что позволяет принять Hj 0,0 и дает возможность применять способ не только до начала возведения сооружения, но и во время строительства.

Q , 0 5

0

На фиг.8 изображен график упрощения оснований при циклической подаче сжатого воздуха и наполнителя под

давлением с вьщержкой по времени на каждом цикле нагружения, чему соответствуют деформации циклики (Јц) и выдержки (Јь) давления. При многократном нагружении грунт приводится в упругое состояние, которое характеризуется деформацией (6у„л). Характер распределения нормальных напряжений, действующих в горизонтальной плоскости при подаче давления в одну эластичную оболочку, представлен расчетной кривой 9, хорошо согласующейся с экспериментальными данными (кривая 10). Кривая II соответствует распределению напряжений от взаимного влияния 2, а кривая 12 - 4 - оболочек под давлением при расположении скважин на расстоянии 10 D друг от друга. На фиг. 10 схематично показан фрагмент эпюры дополнительных напряжений в произвольном горизонтальном сечении преобразованного основания от предварительного напряжения при ,0 с максимальной концентрацией напряжений около стволов свай, равной величине давления в эластичной оболочке Р , с падением уровня напряжения между скважинами до величины РМИН. При этом среднее значение предварительного напряжения рав.-I 110П ,- АОП

но проектному значеникю „ Q „роектн . На фиг. 11 представлен график зависимости коэффициента предварительного напряжения от расстояния между скважинами (L). На фиг. 12 представлены схемы траекторий нагружения основания под центральной частью сооружения для Јн Ј 1,0 (кривая 13) и

для ,0 (кривая 14) и соответствующие дифференциальные модули

сдвига GH -j-j-T кривая 15, С Gn - at;Г dfc;iZ

кривая 16 (где Gp соответствует траектории разгрузки при н 1,0; GH траектории нагрузки при Ґ 1.0).Созi И

дание предварительного напряжения в горизонтальном направлении приводит грунт в такое напряженное состояние, что 1,0, т.е. достигается харак- , тер деформирования основания по разгрузочной траектории, чему соответстпо величине модули девуют большие формаций.

Сущность способа заключается в том, что несущую способность основания повышают за счет его предварителного напряжения в горизонтальном направлении путем опрессовки грунта основания дополнительным давлением в эластичных оболочках. Величина проектируемого предварительного напряжения основания определяется из условия недопустимости осадки основания предельных значений неравномерной .

(Л5П

лр«9 данного

) и средней (Snp-)

сооружения: расч- А npefl расч - пред

осадок для

(1)

где S

расчетная величина р,садки сооружения;

предельная неравномерная осадка сооружения; предельная средняя осадка сооружения. При опрессовке грунта в активной зоне преобразования основания увелиpacvASnpe

преч г 0

чивается соотношение

I

ЯУ

где

к GI

У - значение коэффициента напряженного состояния основания; ; J2 - напряжения в основании, действующие соответственно в горизонтальном и вертикальном направлениях после преоразования грунта основания описываемым способом (без учета напряжений от веса возводимого сооружения).Большим значениям Ј в основании соответствуют большие значения дифференциальных модулей деформации при деформировании основания от веса возводимого сооружения, а следовательно, меньшие значения осадки. Предварително расчетным путем, используя данные инженерно-геологических изысканий и лабораторных трехосных испытаний грунта, строят зависимость осадки сооружения (S) от величины н:

(JfH)(2)

Величина дополнительных нормальных

„ Г-АОП напряжении иvu , обеспечивающих

обходимое предварительное напряжение основания, удовлетворяющее условию (1), определена зависимостью:

(-ПР ...Пр И

,-АОП j«j -сгг „

О . u -J-p- -т- (3)

-Ч

ГТГТ

/-До где G „

ггпР 0

5

дополнительные нормальные напряжения, действующие в горизонтальных плоскостях; природные напряжения, действующие соответственно в горизонтальном и вертикальном направлениях;

| - коэффициент передачи бокового давления;

коэффициент проектируемого напряженного состояния основания сооружения, приводящий зависимость (2) в тождество

AS F(fJ)

г

Согласно изобретению скважины располагают в местах пересечения системы ортогональных осей, расположенных в горизонтальной плоскости с

-J27

- А, где - расстояние

шагом

L-J

между двумя ближайшими скважинами по диагонали; D - диаметр ствола сваи (среднее значение диаметра после подачи давления в эластичную оболочку); N - число диаметров свай, укладываемых по диагонали между двумя соседними скважинами, принимают из условия соблюдения местной однородности предварительного напряжения основания, учитывая вид грунта, размеры фундаментов и тип сооружения, а также особенности инженерно-геологических условий на площадке строительства). Принятое расстояние L обеспечивает условно равномерное распределение дополнительных напряжений СГ в основании с коэффициентом неоднородноеV

ти предварительного напряжения

Zcre rAeGCp величина средU jf) uIО

них равномерных дополнительных напряжений от опрессовки грунта под- давлением; P дополнительные

3

напряжения на границе эластичная оболочка - грунт. При L 5 D грунт основания при его предварительном напряжении в месте перекрытия активных зон (в средней части интервала между скважинами по диагонали) приходит в предельное основание приб ЯР, что приводит к его выпору. Это объясняется тем, что при L 5 D гори

зонтальные напряжения между сваями при их сложении от 4 ближайших скважин становятся больше давления в оболочке Р , следовательно, возникает

неоднородность распределения напрядопжений С „ и с концентрацией в центре

расстояния между скважинами. Шаг между скважинами L принимают таким, чтобы удовлетворить необходимое значение Ц) , которое принимают исходя из размеров фундамента, его жесткости для обеспечения местной равномерности деформаций фундамента. Так, для ленточных и отдельностоящих фундаментов с шириной подошвы b меньше пред- полагаемого L/2 для обеспечения равномерности деформаций отдельного фундамента необходима высокая степе нь однородности предварительного напряжения (1,0 (т.е. при D). Для фундаментов, имеющих L/2ib«iL, принимают 1,0)0,9. Для болыпераз- мерных сооружений, имеющих в качестве фундаментов сплошные монолитные или сборномонолитные железобетонные (бетонные) плиты, по своим размерам заведомо в несколько раз превышающие расстояние между сваями, принимаемое значение коэффициента у существенно зависит от жесткости плиты. При малой жесткости требуется соблюдение практически полной однородности предварительного напряжения основания, т.е. (1,0 с повышением жесткости фунда- ( ментной плиты (фундаментной части) сооружения, значение у уменьшается и для практически абсолютно жесткой конструкции фундаментной части коэффициент у Принимают равным 0,7, а при соответствующих дополнительных экспериментальных и расчетных обоснованиях значение ф может быть принято и меньше 0,7. При уменьшении у увеличивается расстояние между скважинами L, соответственно общее коли- чество свай и стоимость практической реализации данного способа уменьшается.

Глубину заложения верхней части свай (эластичных оболочек) Н, принимают такой, что

р v

(4)

Р - давление в эластичной оболочке;

РК - критическое значение нагруз- ки в эластичной оболочке,

при котором окружающий грунт

5

Q 15 20 25 30 Q д

35

5

на глубине Н,;приходит в предельное состояние; oi, - коэффициент запаса. Для закрепления достигнутого эффекта предварительного напряжения основания (предотвращение его расслабления за счет протекания в грунте реологических процессов) подачу сжатого воздуха и наполнителя под давлением в эластичные оболочки осуществляют циклически с выдержкой постоянного давления на каждом цикле на- гружения. Необходимое число циклов нагружения N устанавливают из условия практического достижения упругой стадии деформирования в пределах активной зоны деформирования грунта, окружающего оболочку, или на основании опытного исследования в полевых условиях, где определяют то минимальное N, при котором увеличение числа циклов уже практически не приводит к дополнительному расширению оболочки и поступлению дополнительного объема сыпучего материала во внутреннюю полость эластичной оболочки. В процессе многократно повторенного цикла увеличения, выдержки и сброса давления внутри оболочки, в активной зоне деформированного грунта вокруг сваи завершается процесс деформационного упрочнения и механическое поведение грунта становится адекватным упругому телу, где релаксационные процессы практически не проявляются. Сыпучий материал внутри эластичной оболочки также упрочняется (в результате упругого отпора окружающего сваю грунта).

Время выдержки давления в свае на каждом цикле t вычисляют по формуле

(5)

где tCT- время условной стабилизации

деформаций во времени; радиус скважины при условной стабилизации деформаций во времени;

г - радиус скважины при стабилизации деформаций. Выдержка на каждом цикле нагруже- ния в течение времени t приводит к завершению процессов первичной и вто- , ричной консолидации грунта основания вокруг сваи. Для песчаных грунтов

выдержку не производят, так как влияние процессов ползучести для песков незначительно.

При упрочнении сваями грунта основания сооружения в верхней его части для предотвращения выпора грунта при проектном давлении в оболочках, оставляют неупрочненный слой грунта толщиной H.j, используемый в качестве пригрузки. Улучшение механических свойств или закрепление (химическое, механическое, термическое и т.д.) верхнего слоя грунта одним из известных способов производят толщиной такой, чтобы при предварительном напряжении основания этот (закрепленный слой включался в работу и препятствовал бы выпору грунта. Таким образом использование предлагаемого метода в сочетании с закреплением верхнего слоя основания позволяет исключить неупрочненную зону основания. Это приводит к более эффективному использованию данного способа.

Для сооружений, имеющих в качестве фундамента плитную конструкцию большой жесткости, заглубление верхней части сваи не производят 0). В этом случае до начала возведения сооружения в основании устанавливают скважины, опускают в них эластичные оболочки, подают сжатый воздух с наполнителем под давлением, обеспечивающим устойчивость (не осыпание) стенок скважины. Затем формируют на поверхности грунта в зоне расположени скважин железобетонную (бетонную) плиту фундаментной части сооружения с соосными скважинам отверстиями, через которые впоследствии производят подачу сжатого воздуха и наполнителя в оболочки под давлением, равным проектному. После формирования фундаментной плиты упрочняют сваями грунт согласно предлагаемому способу. Используя на поверхности основания плиту фундамента сооружения при предварительном напряжении грунта основания (т.е. включая ее в работу),исключается возможность выпора грунта по всей площади сооружения. По мере возведения сооружения (увеличивается его вес и жесткость) дополнительное давление в скважинах можно увеличивать, тем самым продолжать упрочнение грунта основания.

Способ позволяет уменьшить влияние природной неоднородности основа

10

15

25

20

ния на неравномерную осадку. Для ряда сооружений (реакторные отделения АЭС, турбоагрегаты ТЭС и АЭС и т.д.) существуют жесткие требования к неравномерным осадкам, так для реакторных отделений АЭС величина максимального относительного крена не должна превышать значения 0,001. С высокой надежностью удовлетворить жесткие требования по крену подобных сооружений при большой степени неоднородности в исходных данных к расчету перемещения основания практически не представляется возможным. Надежным техническим решением при этих условиях является такое инженерное преобразование свойств основания, которое резко снижает осадку и делает, таким образом не столь актуальной проблему точности ее прогноза. Жесткие требования по крену удовлетворяются как следствие относительной малости осадки сооружения в целом, что позволяет достичь использование описанного способа, так как прогнозировать начальное напряженно-деформируемое состояние основания с достаточной степенью точности в настоящее время невозможно.

Устраиваемое в пределах пятна застройки до начала возведения сооружения поле скважины на один ряд превышает по своим размерам в плане пятно застройки будущего сооружения, что позволяет ослабить релаксацию напряжений в толще преобразованного основания.

0

5

40 Формула изобретения

0

5

нормальных дополнительных напряжений Аоп 3

С5 j u определяемых зависимостью

Г ь °2 и

бАоп u ,ч

(-ПР

и „ |(., О 2 - значения природных нормальных напряжений, действующих соответственно в горизонтальной и вертикальной плоскостях;

С - коэффициент передачи бокового давления;

Фиг. 1

Ґ - коэффициент проектируемого напряженного состояния основания сооружения.

Фиг.2

///

77f ff/

/г/ ///

////////////////////////7/////////////////////////////////////////////////

Фиг Л

Фиг.З

ZZ®

7/ /f

f/f 77T

//г

«J

Фиг. 5

Фа. 7

V$ M /// /// м

L

w /r/ jr

I

itn

rf

1

Ч V

V

Фиг. 6

.

Р.

ЬХ

Т Л/I/ / w«r/4

Расстояние между скбажинами, L

Р

Фаг. 9

Фаг. 10

Фаг. 11