Способ уплотнения массива просадочного грунта Советский патент 1992 года по МПК E02D3/10 

Изобретение относится к строительству, в частности к уплотнению проса- дочных грунтов.

Известен способ уплотнения проса- дочных грунтов (см. Рекомендации по уплотнению просадочных грунтов большой мощности гидровзрывным методом. М. Стройиздат, 19, стр. 3-12, рис. 2,6j l путем устройства котлована, бурения дренажных и взрывных скважин, при этом дренажные скважины заполняют дренажным материалом, который в процессе замачивания скважин дренирует воду и обеспечивает устойчивость стенок скважин, т.е. предохраняет их от оплывания, а во взрывные скважины устанавливают трубы для

транспортирования взрывчатого вещества (ВВ) на требуемую глубину, затем замачивают просадомную толщу через котлован и дренажные скважины, либо только через дренажные скважины, после водонасыщения грунтов просадочной толци через транспортные трубы во взрывные скважины транспортируют заряд ВВ и взрывают его, при этом структурные связи водонасыщенного грунта разрушаются и происходит интенсивное уплотнение грунта.

Недостатки данного способа: большой объем буровых работ, поскольку необходимо бурить как дренажные, так и взрывные скважины, большие расходы

Ч

О

о о

Сл)

дренажного материала и транспортно- взрывных труб.

На сокращение буровых работ направлен известный способ (см. там же 1, стр. 12-22, рис. 2,6, 7, 8, 9), с применением дренажно-взрывных скважин, т.е. когда дренажные и взрывные скважины совмещают, все остальные технологические операции способа ос- таются такими же, как и в способе пр разделенных дренажных и взрывных скважинах. Совмещенные дренажно- взрывные скважины состоят из взрывной камеры для размещения заряда ВВ, транспортной трубы и прослойки дренирующего материала между стенкой скважины, взрывной камерой и транспортной трубой, при этом транспортны трубы и взрывные камеры могут быть разной конструкции и в различном исполнении .

Недостатки способа: большая потребность в дренажном материале, в транспортных трубах и взрывных каме- pax, кроме того, практика внедрения гидровзрывного метода показала, что использовать транспортные трубы для повторного применения не представляется возможным, поскольку при взрыве заряда ВВ, расположенного в контейнере, повреждается и транспортная труба, в результате чего ее или невозможно извлечь из-за значительного трения в уплотненном грунте и образования якоря в месте разрыва трубы, или она существенно деформирован вследствие динамического воздействия

при взрыве и извлечении. I

На снижение расхода труб направ-

лен известный способ уплотнения массива просадочного грунта по а.с. Р 1392201 2, заключающийся в том, что бурят дренажные скважины до верха зоны просадки от собственного ве- са и заполняют их дренажным материалом, а также бурят взрывные скважины на глубину 0,9-1,0 глубины залегания просадочной толщи, защиту взрывных скважин от оплывания производят за- полнением суспензией.

Недостатки данного способа заключаются в большом объеме буровых работ, т.к. требуется бурение как дренажных, так и взрывных скважин, в

значительном расходе дренажного материала, кроме того, взвешенные час- , тицы суспензии, которыми заполняют взрывные скважины, выпадают в осадок

g 0

5 0

0

5 p

ъ

5

во время замачивания просадочной толщи, которое может длиться 1-1,5 месяца j что приводит к осложнению свободного опускания контейнеров со взрывчатым веществом и тогда требуется дополнительные меры по погружению кон- тейнеров, что осложняет технику безопасности.

Известен также способ уплотнения грунтов, техническое решение которого наиболее близкое к предлагаемому и принято авторами за прототип, заключающийся в том, что бурят дренажные и взрывные скважины. Дренажные скважины заполняют дренажным материалом, а защиту взрывных скважин от оплывания во время замачивания осуществляют путем закрепления стенок скважин химическими методами, например, силикатизацией, при этом закрепление стенок скважины химическими методами выполняют перед замачиванием на глубину

Ч $й см- стр 18---20 СФ

О у Г

где Рн - начальное давление просадочности;

г - объемная масса замоченного грунта, т.е. закрепление грунта в стенках скважины осуществляют до глубины начального просадочного давления .

После этого приступают к замачиванию просадочной толщи и после ее водонасыщения во взрывные скважины опускают в контейнерах взрывчатое вещество и изрывают его. В результате замачивания и динамического воздействия происходит интенсивное уплотнение грунтов просадочной толщи.

Недостатки данного метода заключаются в следующем. Для закрепления грунтов в стенках взрывных скважин требуются химические реагенты, например, силикат натрия (жидкое стекло) в больших количествах, которые являются дефицитом, из-за чего в практике данный способ не применяется. Кроме того, закрепленные грунты химическими методами становятся водонепроницаемыми (химическое закрепление грунтов используют в практике для устройства водозащитных экранов), что не дает возможности использовать скважины с закрепленными стенками химическими методами в качестве фильтрацион51760013

ных, что требует большого объема буровых работ, т.к. возникает необходи- мость в бурении как дренажных, так и взрывных скважин, а также большого количества дренажных материалов, кроме того, глубина закрепления стенок взрывных скважин силикатизацией, а, следовательно, глубина заложения зарядов на величину, соответствующую глубине начального просадочного давления, которая для лессовидных проса- дочных суглинков не превышает 6... 7м, недостаточная для обеспечения , качественного уплотнения просадочных грунтов большой мощности, которая, например, в Среднем Приднепровье дос- тигает 30...АО метров.

Целью изобретения является повышение эффективности уплотнения массива просадочного грунта за счет снижения объема бурения, повышения фильтрующей способности стенок скважин и исключения применения дренажного материала.

Указанная цель достигается тем, что закрепление стенок скважин осуществляют путем их обжига при температуре 400...1000°С. в виде кольцевого слоя на глубину, равную 2/3 про- садочной толщи массива, причем толщи- ну кольцевого слоя принимают равной величине, определяемой из зависимости(

t Ра r(R - Pq),

10

15

20

ск но ны но жи из пр ск кр вс жи но

ра

ра г но шп дв те сж

25

30

35

кр ли но пе ре на Ка на га ве По ни со с.

где г - радиус скважины;

Ра - давление водонасыщенного

грунта на уровне дна скважины;

R - прочность обожженного грунта на сжатие.

При включении в просадочную толщу одного или нескольких прослоев грунта с низкой фильтрационной способностью, залегающих ниже глубины 2/3 просадочной толщи, обжиг грунта в стенках скважины осуществляют до глубины залегания подошвы нижнего слоя с низкой фильтрующей способностью.

На фиг. 1 показан процесс укрепления стенок скважин; на фиг. 2 - процесс замачивания просадочной толщи грунтов; на фиг. 3 - погружение контейнеров в скважину со взрывчатым веществом и их взрывание.

Способ осуществляют следующим образом.

0

5

Бурят совмещенные скважины, т.е. скважины, которые будут выполнять одновременно функции дренажных и взрывных. Затем скважины оборудуют известной технологической оснасткой для обжига грунтов и в них сжигают топливо известным способом, заходками в направлении снизу вверх, начиная от дна скважины, в результате чего грунт вокруг скважин подвергается обжигу по всей глубине. Топливо сжигают в скважине до тех пор, пока ширина обожженного кольца не достигнет размера, Ра-г

равного t

R - Р„

Для контроля на

расстоянии г + t от оси скважины, где г - радиус скважины, t - ширина обож- ного кольца грунта, бурят контрольный шпур, в который устанавливают передвижную термопару и по достижении температуры АОО°С на стенке шпура, сжигание топлива прекращают.

В результате сжигания топлива вокруг скважины образуется полый цилиндр из обожженного грунта с толщиной стенки, .равной величине t с температурой обжига до 1000°С на внутренней поверхности скважины и 00°С на периферии обожженного цилиндра. Как известно, грунт при температуре нагрева в пределах АОО-900°С достигает прочности на сжатие R соответственно и более кг/см2 (см. Подъяконов B.C. Термическое упрочнение грунтов в основаниях зданий и сооружений. Н.: Стройиздат, 1968, с. 21...22 У), что обеспечивает

устойчивость стенок скважин при замачивании и предохраняет их от оплы- вания,

Известно также, что фильтрационная способность обожженного грунта

увеличивается в раз за счет выгорания органических включений и увеличения пористости обожженного грунта (см. 3J стр. 21, а также Мато- шин В.И. Исследование влияния газопроницаемости лессовых грунтов на эффективность их термообработки, К., 1971, стр. 10 OJ, Литвинов И.М. Укрепление и уплотнение просадочных грунтов в жилищном и пром.строительстве, К., Бул1вельник, 1977,

стр. 127 ) чт° резко повышает эффективность замачивания просадочной толщи грунта, и, следовательно, эффективность его уплотнения.

71

Таким образом сформированный полый цилиндр вокруг скважины из обожженного грунта обеспечивает устойчивость стенок и эффективную фильтра- цию воды из скважины-в просадочную толщу, что исключает необходимость в дренажном материале.

После обжига грунта в стенках скважины оснастку для сжигания топ- лива демонтируют и приступают к замачиванию просадочной толщи через котлован и обожженные скважины. Поскольку стенки скважины с обожженным вокруг грунтом не оплывают и обеспе- чивают высокую степень фильтрации воды в окружающий грунт, замачивание просадочной толщи осуществляют без заполнения скважин дренажным материалом. Замачивание продолжают до пол- ного водонасыщения просадочной толщи. При этом для повышения эффективности замачивания необходимо проре- зать скважинами все слои- слабопроницаемых грунтов и обжиг стенок скважин осуществлять до подошвы водоупо

ра-, ниже которого залегают просадоч- ные слои. Затем контейнеры со взрывчатым веществом свободно опускают в скважины. Погружение контейнеров в скважины после замачивания возможно без применения транспортно-взрывных труб-, поскольку обожженный грунт обеспечивает устойчивость стенок в течение всего времени замачивания.

I

После чего осуществляют взрывы

зарядов, в результате которых замоченная просадочная толща подвергается динамическому воздействию, при этом происходит разрушение природных связей между частицами грунта и их агрегатами и уплотнение просадочной толщи грунта, при этом обожженный грунт вокруг скважины разрушается под действием взрывной волны и, перемешиваясь с уплотняющимся водонасыщенным грунтом, не препятствует его уплотнению.

Пример. При застройке микрорайонов №° 15, 16, 17 в г. Запорожье широко применяется метод уплотнения лросадочных грунтов предварительным замачиванием с использованием энергии взрывов. Для устройства-основания 9-этажного крупнопанельного жилого дома спаренной блок-секции серии 96 с размерами в плане 12x50 м необходимо уплотнить просадочные грунты, залегающие на глубину 30 м.

8

Поскольку жидкое стекло является большим дефицитом, а требуется оно в значительных количествах, то техническое решение по прототипу - защита стенок скважин от оплывания при замачивании путем укрепления грунта в стенках скважины силикатизацией не применяется.

Уплотнение просадочных грунтов осуществлялось до сих пор с применением совмещенных дренажно-взрывных скважин. При этом расход материалов на одну блок-секцию составляет: труб- 1200 м.п., щебенки для устройства дренажа - 170 м3. В связи с большим расходом материалов разового использования и значительной их стоимостью предлагается новый способ уплотнения просадочной толщи без применения этих материалов, который осуществляют следующим образом.

I

Под всем пятном здания с выходом

за его пределы на 5 м в каждую сторону по контуру бурят скважины в продольном и поперечном направлениях с шагом 5-6 м диаметром 250...300 мм на глубину 2/3 глубины просадочной толщи. В данном примере глубина скважины составляет 20 м. Устье скважин герметизируют затвором 1 и на его базе монтируют трубу - удлинитель 2 форсунки 3. На расстоянии 2R- от оси контрольных скважин {2-3 штуки от

всего объема скважин) бурят шпуры 4 диаметром 50...70 мм и в них устанавливают многослойные или передвижные термопары 5- Затем через форсунку 3 подают топливо и воздух, которые, перемешиваясь, образуют горючую смесь, воспламеняющуюся на выходе из трубы - удлинителя форсунки от электрозапальника 6. Температуру горения в скважине поддерживают в пределах 800...

1000°С. Обжиг грунта осуществляют за- ходками 7 в направлении снизу вверх, начиная от дна скважины. В результате температурного воздействия на грунт 8 вокруг стенок скважин конвективной, радиационной и теплопроводной теплопередачей происходит интенсивный обжиг грунта. Сжигание топлива ведут до достижения на стенке шпура Ц температуры 400°С, которая контролируется термопарой 5. Это означает, что грунт на расстоянии t подвергнулся обжигу в пределах тем- , ператур 400...1000°С. При этом прочность грунта на сжатие повысилась от

91

1...1,5 до 10...40 кг/см2, что обеспечивает устойчивость стенок скважин при последующем замачивании. В процессе обжига в грунте происходит вы- горание органических примесей, появляются микротрещины в результате усушки грунта, вследствие чего фильтрационные свойства повышаются в 35...5 раз, что обеспечивает значи- тельное увеличение водопроницаемости стенок скважины.

Обжиг грунта в стенках скважин осуществляют захватами по 25...30 скважин одновременно в каждой. Обжиг грунта одной захватки длится 2... 3 суток, затем технологическую оснастку перемонтируют на следующую захватку. По окончании обжига грунта в стенках скважин на всей площадке приступают к замачиванию просадочной толщи через скважины 9 и котлован 10 объединяющий все скважины. Замачивание просадочной толщи через обожженные скважины происходит зна- чительно интенсивнее по сравнению с замачиванием по прототипу, поскольку дренажный материал, заполняющий скважины, оказывает- сопротивление потоку воды, кроме того, поры грунта в не обожженных стенках скважин кольмати- руются, что снижает в значительной степени фильтрацию воды.

Замачивание продолжают до полного водонасыщения грунтов просадочной толщи, при этом контроль осуществля- ют через наблюдательные скважины. I

По окончании замачивания в каждую

скважину опускают контейнеры с зарядами взрывчатого вещества и взрывают В результате замачивания и динамического воздействия происходит интенсивное уплотнение грунтов по всей глубине просадочной толщи под пятном будущего здания. В процессе взрывов обожженные стенки скважин разрушают- } ся, т.к. давление от взрывной волны превышает на k порядка прочность обожженного грунта. В результате уплотнения грунтов просадочной толщи дневная ее поверхность оседает до 1- 2 м и полностью устраняется просадоч- ность. При этом хотя грунт и уплотнился, он обладает низким модулем деформации, т.к. находится в состоянии текучей консистенции. Поэтому возникает необходимость устраивать грунтовую подушку, уплотнение которой осуществляют укаткой или трамбовани13 ю

ем. Затем приступают к монтажу фундаментов.

В предлагаемом способе уплотнения грунтов применяется известный технологический прием - обжиг грунтов (см Методические рекомендации по технологии термического закрепления проса дочных грунтов на глубину до 25 м. К., НИИСК, 1982) 6, а также Л.В.Гончарова Основы искусственного улучшения грунтов, М., МГУ, стр. 12А , однако цель и конечный результат при этом совершенно иные,

Во-первых, в предлагаемом способе уплотнения грунтов известный технологический прием используют для обжига грунта лишь в стенках скважины толщиной слоя 10...15 см вокруг нее для получения цилиндра из обожженного грунта, заменяющего Функции трубы, с целью защиты стенок скважины от оплывания и сохранения ее устойчивости с тем, чтобы после замачивания была бы обеспечена возможность погружения в ее полость зарядов взрывчатого вещества на требуемую глубину просадочной толщи и тем самым исключения из технологии уплотнения дефицитных труб. Во-вторых, обжиг грунта в стенках скважин используется с целью повышения фильтрационной способности скважин, т.е. ее дебита с тем, чтобы ускорить процесс замачивания грунтов просадочной толщи, исключив при этом из технологии уплотнения дренажный материал (щебень или песок). При этом обжиг грунта в стенках скважин осуществляют лишь на 2/3 глубины просадочной толщи.

Конечный результат применения обжига грунтов в предлагаемом способе - повышение эффективности уплотнения просадочных грунтов за счет уменьшения объема буровых работ, ускорения процесса замачивания просадочной толщи, экономии труб и дренажного материала, тогда как конечный результат обжига грунтов в известном способе Ј6j - устранение просадочности грунтов за счет их термического укрепления в просадочной толще. При этом целью обжига грунтов является получение закрепленных массивов (грунтостолбов) диаметром по 2...3 м каждый. Причем обжиг грунтов становится эффективным только при условии его осуществления на полную глубину просадочной толщи.

1117

Если в предлагаемом способе в конечном итоге устранение просадочнос- ти происходит за счет разрушения природных связей между частицами грунта и, следовательно, структуры грунта и его уплотнения, то в известном способе 6J устранение просадочности происходит наоборот за счет укрепления природных связей.

Отличительная особенность предлагаемого способа в сравнении с прототипом состоит в том, что взрывные скважины являются одновременно и дренажными, а защиту их стенок от оплы- вания осуществляют обжигом грунта вокруг них, при этом обжиг грунта производят на глубину 2/3 мощности про- садочной толщи.

По прототипу защиту стенок взрыв- ных скважин от оплывания осуществляют химическими методами, например, силикатизацией. При этом производят нагнетание жидкого стекла или других реагентов в поры грунта, где проис- ходит в результате химических реакций образование геля кремниевой или других кислот, вследствие чего происходит укрепление грунта в стенках скважин, однако они становятся водо- непроницаемыми, что вынуждает наряду со взрывными скважинами бурить дренажные скважины, а защиту их стенок от оплывания и обеспечения фильтрации воды осуществлять заполнением щебнем или крупнозернистым песком, глу- бина закрепления взрывных скважин не превышает глубины начального проса- дочного давления, т.е, не более 6... 7 м, что при большой мощности проса- дочной толщи, например, 30...40 м недостаточно, т.к. действие взрывной волны на такой глубине весьма слабое.

Указанные отличительные особенности предлагаемого способа по сравнению с прототипом обеспечивают следующий эффект: сокращается объем буровых работ, сокращаются сроки замачи

- Q

0 5 0

0

5

312

вания просадочной толщи, отпадает необходимость в дренажном материале. Кроме того, поскольку в практике внедрения метода уплотнения просадоч- ных грунтов предварительным замачиванием с использованием энергии взрывов закрепление стенок взрывных скважин химическими методами не применяется из-за отсутствия химреагентов в больших количествах, то для обеспечения транспортирования зарядов на требуемую глубину используют трубы, то предлагаемый способ обеспечивает экономию труб.

Формула изобретения

Способ уплотнения массива пррса- дочного грунта, включающий образование котлована, бурение дренажно- взрывных скважин с закреплением их стенок от оплывания, замачивание грунта через скважины, размещение в скважинах зарядов взрывчатого вещества и осуществление взрыва зарядов с осадкой грунта под собственным весом, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности уплотнения за счет снижения объема бурения, повышения фильтрующей способности стенок скважин и исключения дре- , нажного материала, закрепление стенок скважин осуществляют путем их обжига при fOO-1000°C в виде кольцевого слоя на глубину, равную 2/3 просадочной толщи массива, при этом толщину кольцеврго слоя принимают равной величине,, определяемой из зависимости

t- ра- Е R - Р

п га где г - радиус скважины;

Pq - давление водонасыщенного

грунта на уровне дна скважины;

R - прочность обожженного грунта на сжатие.

ВоЭЛХХ. Топливо.

/ /7 / // / ss / s / / / / / / / s ss

Использование: уплотнение проса- дочных грунтов осадкой под собственным весом путем замачивания и сейсмического воздействия. Сущность изобретения: осуществляется образование котлована, бурение дренажно-взрывных скважин с закреплением их стенок, замачивание грунта, размещение в скважинах зарядов взрывчатого вещества и осуществление взрыва зарядов с осадкой грунта под собственным весом. Стенки скважин закрепляются путем их обжига при температуре ШО-1000 С в виде кольцевого слоя на глубину, равную 2/3 просадочной толщи. ТОЛЩИНУ кольцевого слоя определяют из зависимости t Pa.r/(R - Pa), где г - радиус скважины, РО - давление водо- насыщенного грунта на уровне дна скважины, R - прочность обожженного грунта на сжатие. 3 ил.

иг.1

Ю,

W77V

У/// /// /// /А

$rz%

Замамиванкв просадочной Взрывание толщизарядов

Фиг.г

Фиг.З