Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ВЫРАВНИВАНИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Изобретение относится к области реконструкции строительных сооружений, а именно к ликвидации их общих деформаций.

Известен способ выравнивания зданий и сооружений, включающий операции устройства под фундаментом нескольких ярусов каналов для инъекторов раствора, размещения в каналах инъекторов раствора, нагнетания цементного или песчано-цементного раствора при помощи насосной станции и компрессора с созданием расширяемых слоев, при этом расширяемые слои содержат грунт с изменением его скелета и нагнетаемый цементный или цементно-песчаный раствор [M.P. Moseley, K. Kirsch, E. Falk. Soil fracturing // Ground Improvement (second Edition). 2004. Pp. 220-251].

Недостатком этого технического решения является то, что в расширяемом слое возникает большое число трещин неопределенной длины и раскрытия. Эти трещины требуют повышенного расхода раствора, могут оставаться частично незаполненными раствором, что в дальнейшем может привести к суффозийным процессам и обратным деформациям сооружения.

Известен способ выравнивания зданий и сооружений, содержащий операции установки измерительной аппаратуры для геодезического мониторинга, установки манжетных инъекторов в грунтах оснований зданий или сооружений, предварительного нагнетания в грунт оснований высокопроницаемого раствора с созданием слоя-матрицы, компенсационного нагнетания слабопроницаемого раствора с созданием расширяемого слоя, причем оба этапа нагнетания осуществляют через манжетные инъекторы, манжетные отверстия в которых расположены в два и более ярусов, [Korff М., Mair R.J., van Tol F. and Kaalberg F.J. The application of compensation grouting to protect a railway from tunneling induced movements // ITA-AITES World Tunnel Congress, Budapest, Hungary, May 23-28, (2009). Pp. 130-140].

Достоинством этого технического решения по сравнению с предыдущим является то, что создается слой-матрица, который упруго воспринимает давление расширяемого слоя и снижает степень растрескивания грунта, уменьшая тем самым негативные последствия этого растрескивания.

Недостатком этого технического решения является то, что отсутствие гидроразрыва не гарантировано, поскольку состав раствора, давление и расход нагнетаемого раствора, как при предварительном, так и при компенсационном нагнетании, не определены однозначно.

Целью данного технического решения является снижение затрат труда и материалов и повышение надежности работ по выравниванию зданий и сооружений за счет обеспечения управляемости процессом.

Поставленная цель достигается тем, что способ устранения деформаций зданий и сооружений содержит операции установки измерительной аппаратуры для геодезического мониторинга, установки манжетных инъекторов в грунтах оснований зданий или сооружений, предварительного нагнетания в грунт оснований высокопроницаемого раствора, компенсационного нагнетания слабопроницаемого раствора, причем оба этапа нагнетания осуществляют через манжетные инъекторы, манжетные отверстия которых расположены в два и более ярусов, а предварительное нагнетание осуществляют высокопроницаемым раствором на основе микроцементов при давлении не более P_{1, max} и при расходе на одну манжету не более Q_{1, max}, а заканчивается при расходе Q_{1, текущ.}, равном минимальному значению Q_{1, min}, при этом раствор имеет следующий состав:

- микроцемент (типа микродур) - (20-50)%;

- коллоидный кремнезем - (5-15)%;

- гидратная известь (например, Ca(OH)₂) - (10-25)%;

- минеральный микронаполнитель, например карбонатная мука, - (20-50)%;

- регулятор вязкости суспензии, например суперпластификатор C-3, - до 2% от массы вяжущего;

- водоудерживающая добавка, например метилцеллюлоза, - до 5% от массы вяжущего, причем предварительное нагнетание осуществляют с верхнего яруса манжетных отверстий вниз, а основные параметры связаны следующими соотношениями:

Q_{1, min}≤Q_{1, текущ.}≤Q_{1, max} (при P_{1, max}), л/мин;

P_{1, текущ.}≤P_{1, max}, атм;

P_{1, max}=5,5 атм; Q_{1, max}=5 л/мин,

Q_{1, min}=1 л/мин,

Компенсационное нагнетание осуществляют за время T, сут, слабопроницаемым раствором на основе бентонита, активированного механохимической обработкой при расчетном давлении P_{2, текущ.} (x, y, z) в пределах от P_{2, min} до P_{2, max} расходом не более Q_{2, max} и объемом не более V_{2, max}, причем компенсационное нагнетание начинают при начальной деформации Δ_нач. (x, y), осуществляют с нижнего яруса манжетных отверстий вверх. В течение процесса компенсационного нагнетания осуществляется непрерывный мониторинг положения уровня фундамента сооружения, заканчивают компенсационное нагнетание при уменьшении осадки до допустимой, т.е. при Δ_текущ. (x, y)=Δ_доп. (x, y),

где Δ_текущ. (x, y), Δ_доп. (x, y) - соответственно остаточные текущая, т.е. на данный момент времени, и допустимая деформации сооружения, мм, причем расчетная величина подъема сооружения Δ_расч. (x, y)=Δ_нач. (x, y)±Δ_доп. (x, y), мм.

Установлено, что компоненты нагнетаемого раствора могут варьироваться в следующих пределах:

- бентонит - (60-90)%;

- портландцемент - (10-40)%;

- пластификатор - до 2%;

- ускоритель твердения - до 10%, а основные параметры связаны следующим соотношением:

где θ - переходный коэффициент от кН/м² к атм, принимается равным 0,01;

V - суммарный объем инъекций на одну манжету, м³;

V_{2, max} - максимальный объем инъекций на одну манжету, м³;

ν - коэффициент поперечной деформации грунта до инъекции;

γ - удельный вес грунта до инъекции, кН/ м³;

h - расстояние от манжеты до подошвы фундамента здания или сооружения, м;

σ_гр - вертикальное напряжение от внешней нагрузки (от здания или сооружения) на глубине установки манжеты, кН/м²;

α - поправочный коэффициент на тип грунта (3…6, большее значение соответствует связным грунтам, меньшее для несвязных, проектное значение уточняется по итогам опытных работ), 1/м²;

φ - поправочный коэффициент потери давления по длине шланга, принимается равным 0,3 для расхода 1 л/мин, при диаметре шланга 25 мм, кН/м³;

L - длина шланга для подачи раствора, м;

P_{2, min}≤P_{2, текущ.} (x, y, z)≤P_{2, max}, атм;

Q_{2, текущ.} (x, y, z)≤Q_{2, max}, л/мин;

V_{2, текущ.} (x, y, z)≤V_{2, max}, м³, где

P_{2, min}=20 атм; P_{2, max}=50 атм; V_{2, max}=0,5 м³; Q_{2, max}=1,5 л/мин;

Δ_текущ. (x, y), Δ_расч. (x, y) - соответственно текущая и расчетная деформация сооружения;

x, y - координаты в плане;

z - ордината по высоте.

Компенсационное нагнетание может быть осуществлено в несколько этапов, этапы нагнетания чередуются операцией выстойки, при этом

n - количество этапов нагнетания, шт;

T_i - длительность i-го этапа компенсационного нагнетания, т.е. этапа, когда при соблюдении всех требований по расходу и давлению достигается только деформация Δ_i, сут;

T_k - длительность k-го этапа выстойки, T_k принимают равным 5-10 дней;

V_{2, max} - принимается суммарным за все этапы.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами, где

на фиг. 1 изображена схема технологического комплекса для выравнивания зданий и сооружений,

на фиг. 2 изображена схема инъектора раствора.

Способ выравнивания зданий и сооружений включает операции установки измерительной аппаратуры для геодезического мониторинга, разработки нескольких ярусов каналов 1 для манжетных инъекторов раствора под фундаментом 2 здания, размещение манжетных инъекторов раствора 3 в каналах 1, компенсационное нагнетание в расширяемые слои 4 после предварительного нагнетания в слои-матрицы 5.

Предварительное нагнетание осуществляют высокопроницаемым раствором на основе микроцементов при давлении не более P_{1, max} и при расходе на одну манжету не более Q_{1, max}, а заканчивается при расходе Q_{1, текущ.}, равном минимальному значению Q_{1, min}, при этом раствор имеет следующий состав:

- микроцемент (типа микродур) - (20-50)%;

- коллоидный кремнезем - (5-15)%;

- гидратная известь (например, Ca(OH)₂) - (10-25)%;

- минеральный микронаполнитель, например карбонатная мука, - (20-50)%;

- регулятор вязкости суспензии, например суперпластификатор C-3, - до 2% от массы вяжущего;

- водоудерживающая добавка, например метилцеллюлоза, - до 5% от массы вяжущего, причем предварительное нагнетание осуществляют с верхнего яруса манжетных отверстий вниз, а основные параметры связаны следующими соотношениями:

Q_{1, min}≤Q_{1, текущ.}≤Q_{1, max} (при P_{1, max}), л/мин;

P_{1, текущ.}≤P_{1, max}, атм;

P_{1, max}=5,5 атм; Q_{1, max}=5 л/мин, Q_{1, min}=1 л/мин, a компенсационное нагнетание осуществляют за время T, сут, слабопроницаемым раствором на основе бентонита, активированного механохимической обработкой при расчетном давлении P_{2, текущ.} (x, y, z) в пределах от P_{2, min} до P_{2, max} расходом не более Q_{2, max} и объемом не более V_{2, max}, причем компенсационное нагнетание начинают при начальной деформации Δ_нач. (x, y), осуществляют с нижнего яруса манжетных отверстий вверх, и заканчивают при Δ_текущ. (x, y)=Δ_доп. (x, y),

где Δ_текущ. (x, y), Δ_доп. (x, y) - соответственно остаточные текущая, т.е. на данный момент времени, и допустимая деформации сооружения, мм, причем расчетная величина подъема сооружения Δ_расч. (x, y)=Δ_нач. (x, y)±Δ_доп. (x, y), мм,

при этом нагнетаемый раствор содержит:

- бентонит - (60-90)%;

- портландцемент - (10-40)%;

- пластификатор - до 2%;

- ускоритель твердения - до 10%, а основные параметры связаны следующим соотношением:

где θ - переходный коэффициент от кН/м² к атм, принимается равным 0,01;

V - суммарный объем инъекций на одну манжету, м³;

V_{2, max} - максимальный объем инъекций на одну манжету, м³;

ν - коэффициент поперечной деформации грунта до инъекции;

γ - удельный вес грунта до инъекции, кН/м³;

h - расстояние от манжеты до подошвы фундамента здания или сооружения, м;

σ_гр - вертикальное напряжение от внешней нагрузки (от здания или сооружения) на глубине установки манжеты, кН/м²;

α - поправочный коэффициент на тип грунта (3…6, большее значение соответствует связным грунтам, меньшее для не связных, проектное значение уточняется по итогам опытных работ), 1/м²;

φ - поправочный коэффициент потери давления по длине шланга, принимается равным 0,3 для расхода 1 л/мин, при диаметре шланга 25 мм, кН/м³;

L - длина шланга для подачи раствора, м;

P_{2, min}≤P_{2, текущ.} (x, y, z)≤P_{2, max}, атм;

Q_{2, текущ.} (x, y, z)≤Q_{2, max}, л/мин;

V_{2, текущ.} (x, y, z)≤V_{2, max}, м³, где

P_{2, min}=20 атм; P_{2, max}=50 атм; V_{2, max}=0,5 м³; Q_{2, max}=1,5 л/мин; x, y - координаты в плане; z - ордината по высоте.

Если осадка здания значительна, операция компенсационного нагнетания может быть осуществлена в несколько этапов, этапы нагнетания чередуются с операцией выстойки, при этом

n - количество этапов нагнетания, шт.;

T_i - длительность i-го этапа компенсационного нагнетания, т.е. этапа, когда при соблюдении всех требований по расходу и давлению достигается только деформация Δ_i, сут;

T_k - длительность k-го этапа выстойки, T_k принимают равным 5-10 дней;

V_{2, max} - принимается суммарным за все этапы.

Каналы 1 для инъекторов бурят из шахты 6, при этом шахты могут быть расположены как вертикально, так и наклонно. В каналах размещают трубы со шлангами для подачи раствора и инъекторы. Инъекторы 3 раствора через каналы 1 связаны через канал 7 с насосной станцией 8 для подачи раствора, а через каналы 9 связаны с компрессором 10 для подачи сжатого воздуха. Инъектор раствора содержит корпус 11, в который вмонтированы две надувные запорные подушки 12, воздухопровод 13, соединенный с полостями надувных запорных подушек 12 и присоединенный через канал 9 к компрессору 10, шланг 14 для раствора, присоединенный через канал 7 и насосной станции 8.

В стенках трубы через определенный интервал расположены отверстия 15 с упругими манжетами 16, а шланг 14 содержит отверстия 17.

Устранение деформаций фундаментов зданий осуществляется следующим образом. Инъектор 3 раствора устанавливают в канал 1 напротив очередного отверстия 15 в канале 1. Компрессор 10 подает воздух в надувные запорные подушки 12, в результате чего подушки запирают полость канала. После этого насосная станция 8 через отверстия 17 подает раствор под давлением.

Слои 4 и 5 формируются следующим образом. Слой-матрица 5 формируется заранее с помощью инъектора 3 путем нагнетания под давлением не более 5 атм высокопроницаемого раствора на основе микроцементов (тонкость помола на порядок и более отличается от обычных цементов, т.е. все порошки должны иметь зерна с максимальным размеров не более 5 мкм). В результате поры грунта заполняются, а скелет грунта не нарушается. Этот грунт может воспринимать давление и перемещаться под давлением, способствуя подъему фундамента. Расширяемый слой 4 формируется уже в период непосредственно подъема фундамента за счет нагнетания слабопроницаемого раствора под большим давлением (20-50 атм). В результате грунт перемешивается с раствором, общий объем слоя увеличивается, происходит перемещение слоя 5 и подъем фундамента. Формирование расширяемого слоя может идти в несколько этапов до получения требуемой точности выравнивания зданий или сооружений.

Основными достоинствами данного технического решения по сравнению с прототипом являются надежность слоя-матрицы, гарантирующая отсутствие гидроразрыва, возможность предварительного расчета допустимого давления, назначение расхода компенсационного нагнетания, что позволит управлять процессом подъема за счет распределения объемов нагнетания. Управляемость процесса достигается за счет нормирования взаимосвязи величин параметров (давления, расхода при нагнетании, ингредиентов раствора и т.п.).

При предварительном нагнетании лучший эффект достигается при нагнетании с верхнего яруса вниз, поскольку укрепляемая зона сразу ограничивается сверху, где возможны трещины и разрывы. При компенсационном нагнетании расширяемый слой расширяется вверх и вниз. Для увеличения эффективности нагнетание начинают с нижнего яруса (см. фиг. 1) и далее продолжают по принципу «снизу вверх», поэтому суммарная деформация вверх «δ_в» (которая равна деформации «δ_з» здания) больше суммарной деформации «δ_н» вниз.

Пример осуществления способа.

При проходке ветки метрополитена произошли деформации 6-этажного здания на Дмитровском шоссе. Величина осадки составила 95 мм. Было принято решение применить технологию компенсационного нагнетания. Эта технология предусматривала создание на первой стадии слоя-матрицы путем предварительного нагнетания в грунт оснований высокопроницаемого раствора, а затем на второй стадии осуществление непосредственно компенсационного нагнетания слабопроницаемого раствора. Предварительное нагнетание было осуществлено описанным в данной заявке способом пропитки грунта высокопроницаемой водной суспензией на основе тонкомолотого микроцемента (микроцемент «Микродур» - 35%, коллоидный кремнезем 10%, гидратная известь Ca(OH)₂ - 15%, карбонатная мука - 35%, суперпластификатор C-3 - 2%, метилцеллюлоза - 3%). Нагнетание велось через предварительно установленные манжетные инъекторы с давлением P_1текущ.=4 атм и расходом Q_1текущ.=4,5 л/мин. Окончание нагнетания было завершено в тот момент, когда расход снизился до Q_{1, min}=1 л/мин, при давлении P_{1, max}=5,5 атм. Затем было выполнено компенсационное нагнетание слабопроницаемым раствором на основе бентонита, активированного механо-химической обработкой, при давлении P_{2, текущ.}=21 атм. Максимально допустимое давление компенсационного нагнетания P_{2, max} было рассчитано по приведенной выше формуле и составило 27,4 атм. Максимальный расход Q_{2, max} составил 1,4 л/м³, суммарный объем инъекций на одну манжету V_{2, текущ.} составил 0,5 м³. Нагнетание осуществлялось раствором, содержащим: бентонит - 70%, портландцемент 20%, пластификатор 1%, ускоритель твердения 9%. Нагнетание прекратили, когда суммарная осадка снизилась до 2 мм, а давление P_{2, max} при этом составило 26 атм.

Эффективность достигается тем, что подобраны такие составы растворов и режимы его нагнетания как на стадии предварительного нагнетания, так и на стадии компенсационного нагнетания, при которых практически исключены неожиданные эффекты (такие как растрескивание слоя-матрицы и неуправляемый отток нагнетаемого раствора через трещины). Управляемость процессом доведена до того, что в зависимости от показаний геодезических измерений однозначно устанавливаются параметры расхода и давления нагнетаемого раствора, при этом разработан алгоритм программы для ЭВМ, которая обеспечивает автоматизацию процесса.