Патент на изобретение №2331736

(54) СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ МАССИВА ЛЕССОВОГО ПРОСАДОЧНОГО ГРУНТА В ОСНОВАНИИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

(57) Реферат:

Изобретение относится к строительству, в частности к улучшению лессовых просадочных грунтов введением в них растворов при помощи забивных инъекторов. Технический результат – повышение эффективности способа улучшения массива лессового просадочного грунта. Способ улучшения массива лессового просадочного грунта в основании зданий и сооружений включает уплотнение поверхности грунта, возведение на ней распределительного несущего элемента по площади основания, связанное последовательно с установкой арматурной сетки и заливкой железобетонной плиты, образование посредством бурового снаряда в шахматном порядке рядов скважин с равномерным шагом внутри контура несущего элемента, с размещением одного из них за пределами контура, введение в грунт через погруженные в скважины инъекторы улучшающего раствора в виде пульпы, под давлением гидроразрыва грунта и последующее нагнетание в грунт твердеющего материала в виде цементно-песчаного раствора, с образованием по глубине массива упрочненных зон. В период возведения распределительного несущего элемента по площади основания, перед заливкой железобетонной плиты, к арматурной сетке прикрепляют закладные трубы, через которые, после возведения распределительного несущего элемента, и образовывают скважины распределительного несущего элемента, и образовывают скважины. Закладные трубы размещают с шагом, кратным шагу стержней арматурной сетки и равным шагу размещения скважин. Через инъекторы, погруженные в скважины ряда, расположенного за пределами контура несущего элемента, вводят улучшающий и нагнетают твердеющий растворы в направлении данного контура веерообразно, по сектору в 180°. 12 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к строительству, в частности к улучшению лессовых просадочных грунтов введением в них растворов при помощи забивных инъекторов.

Известен способ упрочнения просадочного грунта, включающий образование скважин с равномерным шагом и инъектирование закрепляющего раствора в грунт с заполнением скважин (А.С. СССР №382790, кл. E02D 3/12, 1971).

Недостаток указанного способа заключается в размещении в упрочняемом грунте столбчатых конструкций без учета возможности образования равномерно расположенных по глубине массива опор для неуплотненного грунта на столбчатых конструкциях, что приводит к образованию разной прочности грунта по глубине с неполным использованием несущей способности упрочняемого массива при увеличении шага размещения столбчатых конструкций.

Наиболее близким по существу техническим решением является способ улучшения массива лессового просадочного грунта в основании зданий и сооружений, включающий уплотнение поверхности грунта, возведение на ней распределительного несущего элемента по площади основания, связанное последовательно с установкой арматурной сетки и заливкой железобетонной плиты, образование посредством бурового снаряда в шахматном порядке рядов скважин с равномерным шагом внутри контура несущего элемента, с размещением одного из них за пределами контура, введение в грунт через погруженные в скважины инъекторы улучшающего раствора в виде пульпы, под давлением гидроразрыва грунта, и последующее нагнетание в грунт твердеющего материала в виде цементно-песчаного раствора, с образованием по глубине массива упрочненных зон (А.С. СССР №1294910, кл. E02D 3/12, 1987).

Недостаток данного способа заключается в его низкой эффективности вследствие большой трудоемкости процесса образования скважин из-за того, что бурение скважин осуществляют с поверхности распределительного несущего элемента через мощную железобетонную плиту, обладающую высокой прочностью, что снижает производительность буровых работ и повышает затраты на буровые снаряды ввиду их значительного износа, особенно при попадании на арматурную сетку железобетонной плиты. В большинстве случаев такая скважина не добуривается до конца, тампонируется, и на данной точке инъектирования бурят дополнительную скважину, что требует внесения изменений в проектную документацию, также снижает сменную производительность и, в целом, увеличивает затраты нулевого цикла строительства. При этом поинтервальное погружение инъектора в грунт, особенно с техногенными осложнениями, на одной точке инъектирования в одной скважине требует дополнительных затрат времени на технологическую подготовку погружения. Кроме того, в центре уже закрепленного массива данное погружение существенно затруднено вследствие всестороннего сжатия скважины грунтом.

Изобретение направлено на повышение эффективности способа улучшения массива лессового просадочного грунта и инъектора для закрепления грунта в законтурном ряду данного массива за счет того, что в способе улучшения массива лессового просадочного грунта в основании зданий и сооружений, включающем уплотнение поверхности грунта, возведение на ней распределительного несущего элемента по площади основания, связанное последовательно с установкой арматурной сетки и заливкой железобетонной плиты, образование посредством бурового снаряда в шахматном порядке рядов скважин с равномерным шагом внутри контура несущего элемента, с размещением одного из них за пределами контура, введение в грунт через погруженные в скважины инъекторы улучшающего раствора в виде пульпы, под давлением гидроразрыва грунта, и последующее нагнетание в грунт твердеющего материала в виде цементно-песчаного раствора, с образованием по глубине массива упрочненных зон, в период возведения распределительного несущего элемента по площади основания, перед заливкой железобетонной плиты, к арматурной сетке прикрепляют закладные трубы, через которые, после возведения распределительного несущего элемента, и образовывают скважины, при этом закладные трубы размещают с шагом, кратным шагу стержней арматурной сетки и равным шагу размещения скважин, а через инъекторы, погруженные в скважины ряда, расположенного за пределами контура несущего элемента, вводят улучшающий и нагнетают твердеющий растворы в направлении данного контура веерообразно, по сектору в 180°.

При этом при улучшении массива лессового просадочного грунта в осложненных условиях, на одной точке инъектирования размещают, по меньшей мере, две закладные трубы, через которые образовывают скважины и погружают инъекторы для закрепления грунта массива на разной глубине.

Кроме этого, на каждой точке инъектирования вторую закладную трубу, для погружения в нее второго инъектора, размещают на одинаковом расстоянии, например 0,5 м от первой, на одной из линий одинакового направления действия векторов силового воздействия на грунт от первого инъектора.

Также, при размещении на одной точке инъектирования, по меньшей мере, двух инъекторов, вводят улучшающий и нагнетают твердеющий растворы через первый инъектор только после погружения на проектную глубину второго инъектора, при этом оба инъектора после инъектирования не извлекают. Также, затрубное пространство каждого инъектора, между трубой и стенками скважины, после его погружения на проектную глубину заполняют твердеющим материалом в виде цементно-песчаного раствора, применяемого для нагнетания в закрепляемый массив,

Также, внутренний диаметр закладных труб выбирают не менее максимального диаметра бурового снаряда.

Также, при использовании для образования скважин в пластичных лессовых просадочных грунтах шнекового бурового снаряда, внутренний диаметр закладных труб выбирают из условия обеспечения зазора с наружным диаметром шнека не более 0,005 м.

Также, при использовании шнекового бурового снаряда для образования скважин в пластичных лессовых просадочных грунтах, склонных к налипанию, в качестве закладных выбирают профильные трубы квадратного сечения.

Также, длину закладных труб выбирают на 0,05 м больше толщины железобетонной плиты.

Также, наружный диаметр закладных труб выбирают равным не более половины шага стержней арматурной сетки за вычетом их диаметра.

Также, перед заливкой железобетонной плиты, например, одновременно с прикреплением к арматурной сетке закладных труб, в верхний конец последних устанавливают предохранительный тампон, например, из ветоши.

Также, закладные трубы, перед их прикреплением к арматурной сетке, устанавливают нижним концом на песчаную подушку, которую образовывают путем засыпки песка внутрь размещенных на точке инъектирония закладных труб, с последующим их переподъемом на небольшую высоту, обеспечивающую отсыпку части песка по наружному диаметру закладной трубы.

Также, при образовании песчаной подушки из песка повышенной влажности, к закладным трубам, при их переподъеме, прилагают ударную нагрузку.

Указанный способ улучшения массива лессового просадочного грунта в основании зданий и сооружений позволяет повысить эффективность закрепления грунта, за счет повышения производительности образования скважин через закладные трубы рациональной конструкции в железобетонной плите, снижения затрат на буровые снаряды, ввиду отсутствия необходимости бурить железобетонную плиту, увеличения несущей способности улучшаемого массива, за счет создания на одной точке инъектирования при помощи оставляемых в скважинах стальных инъекторов, по меньшей мере, двух микросвай, с дополнительной несущей способностью, тесно связанных между собой бетонными телами. Этому же способствует и повышение прочности грунта на границе контура распределительного несущего элемента вследствие увеличения количества векторов силового воздействия на грунт при помощи инъектора законтурного ряда, выполненного с возможностью нагнетания закрепляющих растворов в направлении данного контура веерообразно.

На фиг.1 представлена схема упрочнения одного из участков улучшаемого массива в плане; на фиг.2 – схема улучшаемого массива, аксонометрическая проекция; на фиг.3 – схема размещения закладных труб; на фиг.4 – схема установки закладной трубы на песчаную подушку; на фиг.5 – схема расположения инъекторов на одной точке инъектирования в плане; на фиг.6 – разрез А-А на фиг.5; на фиг.7 – размещение шнекового бурового снаряда в круглой закладной трубе; на фиг.8 – размещение шнекового бурового снаряда в профильной закладной трубе квадратного сечения.

На вышеуказанных фигурах обозначены следующие элементы: 1 – инъектор для законтурного ряда, выполненный в виде трубы, имеющей полый корпус с выпускными отверстиями и наконечник; 2 – уплотняемый грунт; 3 – распределительный несущий элемент; 4 – арматурная сетка; 5 – закладная труба; 6 – скважины; 7 – стержни арматурной сетки; 8 – предохранительные тампоны; 9 – железобетонная плита; 10 – песчаная подушка; 11 – инъекторы для закрепления грунта под распределительным несущим элементом 3; 12 – буровой снаряд; 13 – закладные профильные трубы квадратного сечения; 14 – контур улучшаемого массива; 15 – затрубное пространство; 16 – уплотненная зона грунта; 17 – жесткие элементы (твердеющий раствор); 18 – законтурный ряд; 19 – скважины законтурного ряда; 20 – транспортируемый грунт; 21 – векторы силового воздействия на грунт закрепляющих растворов.

Способ осуществляется следующим образом. На участке строительства здания или сооружения отрывают котлован и уплотняют грунт 2, у его дна, например трамбованием. Затем на поверхность уплотняемого грунта 2 укладывают распределительный несущий элемент 3 в следующей последовательности. Вначале устраивают бетонную подготовку (не показана) и на ее поверхность устанавливают арматурную сетку 4, к которой жестко прикрепляют при помощи сварки или проволоки закладные трубы 5, через которые впоследствии образовывают скважины 6. Закладные трубы 5 размещают в шахматном порядке с равномерным шагом, кратным шагу стержней 7 арматурной сетки 4 и равным шагу размещения скважин 6. При установке закладных труб 5 в их верхние отверстия вставляют предохранительные тампоны 8, например, из ветоши, исключающие попадание бетона через верхний конец закладных труб 5 в их внутренние полости при заливке железобетонной плиты 9.

Для предотвращения попадания бетона при заливке железобетонной плиты 9 внутрь закладных труб 5 через их нижний конец, последние устанавливают на точке инъектирования и насыпают внутрь небольшое количество песка, например, заполняя внутреннюю полость закладной трубы 5 песком на высоту не менее ее диаметра. После чего осуществляют переподъем закладной трубы 5, т.е. приподнимают ее на небольшую высоту, обеспечивающую создание песчаной подушки 10 под трубой 5 с отсыпкой части песка по наружному диаметру закладной трубы 5, а затем быстро опускают. В случае использования для образования песчаной подушки 10 песка повышенной влажности, склонного к налипанию, к закладным трубам 5, при их переподъеме, прилагают ударные нагрузки, например молотком. Длину закладных труб 5 выбирают больше толщины железобетонной плиты 9 на 50 мм, что позволяет легко обнаружить место расположения скважин 6 после заливки и не препятствует самой заливке железобетонной плиты 9. С целью снижения времени вспомогательных операций при улучшении лессового просадочного грунта в осложненных условиях, например неоднородные техногенные грунты или защемление инъекторов и т.п., на одной точке инъектирования, внутри контура несущего элемента 3, размещают, по меньшей мере, две закладные трубы 5, через которые впоследствии образовывают скважины 6 и погружают в них известные, например четырехнаправленные, инъекторы 11 для закрепления грунта 2 массива на разной глубине.

На каждой точке инъектирования вторую закладную трубу 5, для погружения в нее второго инъектора 11, размещают на одинаковом расстоянии, например 0,5 м, на одной из линий одинакового направления действия векторов 21 силового воздействия на грунт от первого инъектора 11, т.е. в зоне направленного обтекания закрепляющим раствором тела второго инъектора для обеспечения его дополнительного закрепления в массиве. При этом исходят из того, что если расстояние размещения второй закладной трубы 5 и соответственно второго инъектора 11 будет больше указанной величины, то общая схема закрепления грунта будет существенно изменяться, усложняться и требовать дополнительных проектных решений, обеспечивающих снижение расхода закрепляющих растворов, целостность и прочность закрепляемого массива. А при данном расстоянии менее указанной величины, будут ухудшаться условия обтекания закрепляющим раствором тела второго инъектора 11 и уменьшаться прочность простенка в железобетонной плите 9, между двумя смежными скважинами 6, вследствие уменьшения его толщины.

В действительности, выбранное расстояние в 0,5 м для размещения второй закладной трубы 5 (равнозначно второго инъектора) по отношению к первой, с одной стороны обеспечивает свободное размещение последних в наиболее часто используемых на практике арматурных сетках 4, а с другой стороны, способствует сохранению среднего рационального шага (2,5 м) между скважинами 6, который для лессовых просадочных грунтов находится в пределах 2-3 м (см. патент РФ №2059044, кл. E02D 3/12 по заявке №5024130/03, 1996 г., с.53. Пособие по химическому закреплению грунтов инъекцией в промышленном и гражданском строительстве (к СНиП 3.02.01-83)/НИИОСП им. Герсеванова, – М.: Стройиздат. – 1986 и др.).

С целью обеспечения беспрепятственного прохода бурового снаряда 12 через закладные трубы 5 их внутренние диаметры подбирают с таким расчетом, чтобы внутренний диаметр закладных труб 5 был не менее максимального диаметра бурового снаряда 12 любого типа.

При использовании для образования скважин 6 в пластичных лессовых просадочных грунтах шнекового бурового снаряда 12, внутренний диаметр закладных труб 5 выбирают из условия обеспечения зазора с наружным диаметром шнека бурового снаряда 12 не более 0,005 м, что является необходимым условием эффективного транспортирования пластичных материалов шнековым буровым снарядом 12 по внутренним поверхностям стальных закладных труб 5.

При использовании же шнекового бурового снаряда для образования скважин 6 в пластичных лессовых просадочных грунтах, склонных к налипанию, в качестве закладных труб 5 выбирают профильные трубы 13 квадратного сечения, которые обеспечивают забивание внутренних поверхностей закладных труб 13 (по углам) транспортируемым грунтом 20, что позволяет увеличить коэффициент трения транспортируемого грунта о внутреннюю поверхность закладной трубы 13, предотвращает его проворачивание и, в целом, повышает производительность шнекового бурового снаряда 12 через закладную трубу 13.

Наружный диаметр закладных труб 5, с целью обеспечения беспрепятственного прохода последних через арматурную сетку 4 (каркас), выбирают равным не более половины шага стержней 7 за вычетом их диаметра. Так, например, для широко распространенных арматурных сеток 4 с шагом стержней 7 порядка 200 мм и диаметром 20-24 мм, собранным в каркас совместно с сетками 7 с шагом 100 мм и диаметром 16 мм, равно как и со стандартным смещением их на половину шага, необходимый диаметр закладной трубы 5 составит 200:2-(20÷24)=80÷76 мм. В действительности, на реальном строительном объекте, в процессе опробования способа, была подобрана стандартная закладная труба 5 с наружным диаметром 76 мм, который позволял осуществлять ее переподъем в арматурной сетке 4 для отсыпки песчаной подушки 10 и, одновременно, выполнять жесткое вертикальное (перекос менее 1°) прикрепление закладной трубы 5 к стержням 7 арматурной сетки 4.

После размещения на арматурной сетке 4 закладных труб 5 указанным образом заливают железобетонную плиту 9. С поверхности полученного распределительного несущего элемента 3 через закладные трубы 5 после извлечения из них предохранительных тампонов 8 и минуя абразивную высокопрочную железобетонную плиту 9, образовывают скважины 6 внутри контура 14 улучшаемого массива. Внутри контура 14 распределительного несущего элемента 3 используют известные четырехнаправленные инъекторы 11. При этом скважины 6 бурят меньшей глубины на величину длины перфорированной части инъектора 11 с последующим погружением (забивкой) его до проектной отметки. Во избежание прорыва закрепляющих растворов вдоль тела инъекторов 11 их затрубные пространства 15 надежно тампонируют цементно-песчаным раствором. После выдержки в течение суток через данные инъекторы 11 осуществляют введение улучшающих растворов в виде пульпы, под давлением гидроразрыва грунта. После введения заданного объема пульпы нагнетают твердеющий материал в виде цементно-песчаного раствора. В процессе нагнетания пульпы происходит замачивание и уплотнение прилегающей к точке инъектирования зоны 16 грунта с заполнением образуемых при нагнетании трещин и полостей уплотняющимся грунтом из состава пульпы. Твердеющий материал образует жесткие элементы 17 в уплотненных зонах 16. В результате в массиве просадочного грунта образуется каркасно-ячеистая структура из уплотненных элементов, форма которой задается известными четырехнаправленными инъекторами 11.

Для предотвращения просадок при последующем интенсивном замачивании грунта, особенно в осложненных условиях, каркасно-ячеистую структуру грунта укрепляют путем придания ей дополнительной несущей способности следующим образом. При размещении на одной точке инъектирования, по меньшей мере, двух инъекторов 11, вводят улучшающий и нагнетают твердеющий растворы через первый инъектор 11 только после погружения на большую проектную глубину второго инъектора 11. В этом случае и первый и второй инъекторы 11 не извлекаются и остаются в улучшаемом массиве, выполняя роль целого куста микросвай с дополнительной несущей способностью, прочно сплетенных между собой бетонными телами в виде корней деревьев с направленным расположением корневой системы.

В законтурном ряду 18 для образования барьерного ряда размещают инъекторы 1 направленного действия. Инъекторы 1, аналогично инъекторам 11, погружают в скважины 19 меньшей глубины и посредством трубы забивают их до проектной отметки. При этом инъекторы 1 снабжаются наконечниками, уменьшающими сопротивление грунта погружению. После погружения затрубное пространство инъекторов 1 тампонируется аналогично затрубному пространству инъекторов 11. При помощи инъекторов 1 вводят улучшающий и нагнетают твердеющий растворы в направлении контура 14 распределительного несущего элемента 3 веерообразно, по сектору 180°, что обеспечивает направленное закрепление грунта не только параллельно контуру 14, для создания барьерного ряда, но и в наиболее нагруженных зонах, лежащих по краю распределительного несущего элемента 3, т.е. по контуру 14. В действительности, введение улучшающих и твердеющих растворов осуществляют через выпускные отверстия полого корпуса инъектора. Вся площадь закрепляемого участка массива на границе контура 14 будет разбиваться на условно равные небольшие площади, в виде прямоугольных треугольников, сжатые со всех сторон векторами 21 силового воздействия на грунт как от самого инъектора 1, так и от двух соседних инъекторов 1, находящихся слева и справа от него в законтурном ряду 18, и трех инъекторов 11, расположенных внутри контура 14, обеспечивая тем самым повышение прочностных свойств грунта на границе распределительного несущего элемента 3.

Формула изобретения

1. Способ улучшения массива лессового просадочного грунта в основании зданий и сооружений, включающий уплотнение поверхности грунта, возведение на ней распределительного несущего элемента по площади основания, связанное последовательно с установкой арматурной сетки и заливкой железобетонной плиты, образование посредством бурового снаряда в шахматном порядке рядов скважин с равномерным шагом внутри контура несущего элемента, с размещением одного из них за пределами контура, введение в грунт через погруженные в скважины инъекторы улучшающего раствора в виде пульпы под давлением гидроразрыва грунта и последующее нагнетание в грунт твердеющего материала в виде цементно-песчаного раствора с образованием по глубине массива упрочненных зон, отличающийся тем, что в период возведения распределительного несущего элемента по площади основания, перед заливкой железобетонной плиты, к арматурной сетке прикрепляют закладные трубы, через которые после возведения распределительного несущего элемента и образовывают скважины, при этом закладные трубы размещают с шагом, кратным шагу стержней арматурной сетки и равным шагу размещения скважин, а через инъекторы, погруженные в скважины ряда, расположенного за пределами контура несущего элемента, вводят улучшающий и нагнетают твердеющий растворы в направлении данного контура веерообразно, по сектору в 180°.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при улучшении массива лессового просадочного грунта в осложненных условиях, на одной точке инъектирования размещают, по меньшей мере, две закладные трубы, через которые образовывают скважины и погружают инъекторы для закрепления грунта массива на разной глубине.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что на каждой точке инъектирования вторую закладную трубу для погружения в нее второго инъектора размещают на одинаковом расстоянии, например 0,5 м от первой, на одной из линий одинакового направления действия векторов силового воздействия на грунт от первого инъектора.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что при размещении на одной точке инъектирования, по меньшей мере, двух инъекторов, вводят улучшающий и нагнетают твердеющий растворы через первый инъектор только после погружения на проектную глубину второго инъектора, при этом оба инъектора после инъектирования не извлекают.

5. Способ по любому из пп.1 и 4, отличающийся тем, что затрубное пространство каждого инъектора, между трубой и стенками скважины, после его погружения на проектную глубину, заполняют твердеющим материалом в виде цементно-песчаного раствора, применяемого для нагнетания в закрепляемый массив.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что внутренний диаметр закладных труб выбирают не менее максимального диаметра бурового снаряда.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что при использовании для образования скважин в пластичных лессовых просадочных грунтах шнекового бурового снаряда, внутренний диаметр закладных труб выбирают из условия обеспечения зазора с наружным диаметром шнека не более 0,005 м.

8. Способ по любому из пп.6 и 7, отличающийся тем, что при использовании шнекового бурового снаряда для образования скважин в пластичных лессовых просадочных грунтах, склонных к налипанию, в качестве закладных выбирают профильные трубы квадратного сечения.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что длину закладных труб выбирают на 0,05 м больше толщины железобетонной плиты.

10. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что наружный диаметр закладных труб выбирают равным не более половины шага стержней арматурной сетки за вычетом их диаметра.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед заливкой железобетонной плиты, например одновременно с прикреплением к арматурной сетке закладных труб, в верхний конец последних устанавливают предохранительный тампон, например из ветоши.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что закладные трубы, перед их прикреплением к арматурной сетке, устанавливают нижним концом на песчаную подушку, которую образовывают путем засыпки песка внутрь размещенных на точке инъектирования закладных труб с последующим их переподъемом на небольшую высоту, обеспечивающую отсыпку части песка по наружному диаметру закладной трубы.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что при образовании песчаной подушки из песка повышенной влажности к закладным трубам при их переподъеме прилагают ударную нагрузку.

РИСУНКИ