Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ УПЛОТНЕНИЯ ОСНОВАНИЙ, СЛОЖЕННЫХ СЛАБЫМИ МИНЕРАЛЬНЫМИ ГРУНТАМИ

Изобретение относится к строительству, в частности к способам укрепления грунтов под основания и фундаменты зданий и сооружений, в т.ч. объектов электроэнергетики.

В практике проектирования оснований и фундаментов зданий и сооружений на выбранном участке строительства нередко залегают слабые водонасыщенные глинистые грунты, обладающие низкими характеристиками деформируемости и прочности. В таких случаях проводят преобразование слабого основания различными методами, которые ведут к уплотнению и упрочнению изначально слабого грунта. В группу преобразования свойств грунтов можно отнести уплотнение укаткой, трамбовкой, инъецированием различных составов, устройство грунтовых свай по различным технологиям.

Известен способ укрепления грунта, включающий образование скважины, разрыхление грунта стенок этой скважины и создание на этот грунт укрепляющего воздействия (авторское свидетельство на изобретение СССР №708010, 30.09.77). В этом способе укрепляющее воздействие создается только на грунт, который разрыхляется со стенок скважины. После утрамбовки этого грунта получается определенная степень укрепления, которую увеличить больше нельзя.

Данный способ не позволяет получить требуемой степени укрепления грунта под фундаменты для современного строительства.

Наиболее близким аналогом является способ уплотнения грунта (патент на изобретение РФ №2473741), включающий выполнение скважины, засыпку уплотняющего вещества (материала) в скважину и создание уплотняющего воздействия тонкостенной оболочкой (полым трубчатым рабочим инструментом) на уплотняющий материал для образования колонны уплотнения.

Недостатком ближайшего аналога является отсутствие расчетов для подбора технологических параметров уплотнения колонны в зависимости от свойств грунта, сверки полученных после уплотнения значений с проектными, что приводит к необходимости проведения лишних операций по уплотнению грунта, подбору необходимого количества скважин.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является реализация уплотнения основания, сложенного слабыми минеральными грунтами, путем определения оптимальных проектных технологических параметров колонн по всей площади основания, их выполнения в грунте, а также сверка после уплотнения основания полученного параметра уплотненного грунта основания в целом с оптимальным проектным, что приводит к повышению производительности и снижению затрат.

Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, заключается в повышении производительности уплотнения грунта, снижении материалоемкости и трудоемкости.

Сущность изобретения состоит в том, что в способе уплотнения оснований, сложенных слабыми минеральными грунтами, включающем выполнение скважины, засыпку уплотняющего материала в скважину и создание уплотняющего воздействия полым трубчатым рабочим инструментом на уплотняющий материал для образования колонны уплотнения, предложено предварительно выполнять инженерно-геологические изыскания грунта основания и определять значения модуля деформации, коэффициента Пуассона, угла внутреннего трения, удельного сцепления, удельного веса, начального коэффициента пористости слабого минерального грунта, затем вычислять действующее значение модуля деформации ε_i при расширении уплотняющего материала в скважине по начальному и заданному коэффициенту пористости слабого минерального грунта по формуле:

, где

ε_i - действующее значение модуля деформации тела колонны;

e_i - коэффициент пористости слабого минерального грунта вокруг колонн при действующем значении модуля деформации εi, соответствующий ближайшему значению модуля деформации в соответствии с нормативными корреляционными зависимостями;

e₀ - начальный коэффициент пористости уплотняемого слабого минерального грунта,

после чего методом подбора в интервале от одного до трех диаметров колонны предложено: определять шаг размещения колонн, при котором достигается значение проектного модуля деформации основания, вычислять необходимое увеличение радиуса скважины в процессе вдавливания по формуле:

, где

r₂ - радиус расширенной колонны;

R - радиус влияния одной щебеночной колонны, равный половине шага колонн;

ε - значение модуля деформации тела колонны,

скважину выполнять вдавливанием рабочего инструмента в грунт основания, засыпку уплотняющего материала в скважину осуществлять через полость рабочего инструмента, а уплотняющее воздействие для образования колонны уплотнения осуществлять вдавливанием рабочего инструмента в уплотняющий материал, после чего производить дополнительные инженерно-геологические изыскания на площадке, определять модуль деформации уплотненного грунта между колоннами и вычислять фактический средний модуль деформации основания в целом по формулам:

, где

- фактический средний модуль деформации основания в целом;

β - коэффициент бокового расширения, равный 0.8 для композитного массива грунта;

- коэффициент относительной сжимаемости грунта;

m_с - коэффициент относительной сжимаемости колонны;

- коэффициент относительной сжимаемости рабочей ячейки (массива, состоящего из колонны и окружающего грунта) в целом;

- модуль деформации окружающего колонну грунта;

Е_с - модуль деформации материала колонны;

λ - коэффициент объемной деформации уплотняемого грунта при расширении скважины;

а - конечный радиус колонны;

b - радиус рабочей ячейки (половина проектного шага колонн уплотнения);

а затем сравнивать его с проектным и при несоответствии фактического среднего модуля деформации основания его проектному значению производить установку дополнительных колонн между ранее установленными.

Также предлагается преимущественно нижний конец рабочего инструмента перед его вдавливанием в грунт основания перекрывать шибером или теряемым башмаком, а после засыпки уплотняющего материала в полость рабочего инструмента открывать шибер рабочего инструмента для просыпания уплотняющего материала в скважину, приподнимать рабочий инструмент на заданную высоту слоя уплотнения, после чего производить вдавливание рабочего инструмента в уплотняющий материал, а операцию вдавливания уплотняющего материала повторять послойно на всю длину колонны до достижения требуемого уплотнения слабого минерального грунта.

В качестве уплотняющего материала возможно использование щебня и/или песка, и/или гравия, и/или инертного материала, а рабочий инструмент предлагается выполнять симметричным относительно его центральной оси.

Отличительной особенностью предлагаемого способа является то, что по результатам инженерно-геологических изысканий по площади основания определяются исходные параметры слабого минерального грунта, с использованием которых проводятся расчеты по подбору технологических параметров уплотнения колонн (шаг и радиус расширенной колонны) по всему основанию. Сверка после уплотнения основания полученного параметра уплотненного грунта по основанию в целом с проектным позволяет определить достаточность количества установленных колонн. Вдавливание полого трубчатого рабочего инструмента в грунт основания позволяет осуществить первое уплотнение слабого минерального грунта. Перекрытие нижнего конца рабочего инструмента шибером или теряемым башмаком позволяет осуществлять вдавливание уплотняющего материала в скважине. А послойное вдавливание рабочего инструмента в уплотняющий материал позволяет значительно расширить скважину, сформировать щебеночную колонну, а грунт вокруг колонны уплотнить в радиальном направлении. Уплотнение окружающего колонну грунта также вызывает активизацию процесса консолидации из-за появления избыточного порового давления. Использование в качестве уплотняющего материала щебня и/или песка, и/или гравия, и/или любого иного инертного материала позволяет сформировать колонну уплотнения с необходимыми характеристиками в зависимости от свойств уплотняемого слабого минерального грунта, таким образом, чтобы предотвратить возможность проникновения частиц уплотняемого грунта через тело колонны.

Использование симметричного относительно центральной оси рабочего инструмента позволяет осуществлять равномерное радиальное уплотнение грунта основания.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Предварительно выполняют инженерно-геологические изыскания грунта основания и определяют значения модуля деформации, коэффициента Пуассона, угла внутреннего трения, удельного сцепления, удельного веса, начального коэффициента пористости слабого минерального грунта, затем вычисляют действующее значение модуля деформации ε_i при расширении уплотняющего материала в скважине по начальному и заданному коэффициенту пористости слабого минерального грунта по формуле:

, где

ε_i - действующее значение модуля деформации тела колонны;

e_i - коэффициент пористости слабого минерального грунта вокруг колонн при действующем значении модуля деформации εi, соответствующий ближайшему значению модуля деформации в соответствии с нормативными корреляционными зависимостями;

е₀ - начальный коэффициент пористости уплотняемого слабого минерального грунта,

после чего методом подбора в интервале от одного до трех диаметров колонны определяют шаг размещения колонн, при котором достигается значение проектного модуля деформации основания, вычислят необходимое увеличение радиуса скважины в процессе вдавливания по формуле:

, где

r₂ - радиус расширенной колонны;

R - радиус влияния одной щебеночной колонны, равный половине шага колонн;

ε - значение модуля деформации тела колонны,

выполняют скважину вдавливанием рабочего инструмента в грунт основания.

Нижний конец рабочего инструмента перед его вдавливанием в грунт основания перекрывают шибером, а после засыпки уплотняющего материала в полость рабочего инструмента открывают шибер рабочего инструмента для просыпания уплотняющего материала в скважину, приподнимают рабочий инструмент на заданную высоту слоя уплотнения, после чего производят вдавливание рабочего инструмента в уплотняющий материал. Операцию вдавливания уплотняющего материала повторяют послойно на всю длину колонны до достижения требуемого уплотнения слабого минерального грунта.

Возможно также перекрытие нижнего конца рабочего инструмента теряемым башмаком.

В качестве уплотняющего материала возможно использование щебня и/или песка, и/или гравия, и/или инертного материала, а используемый рабочий инструмент симметричен относительно его центральной оси.

Затем производят дополнительные инженерно-геологические изыскания на площадке, определяют модуль деформации уплотненного грунта между колоннами и вычисляют фактический средний модуль деформации основания в целом по формулам:

, где

- фактический средний модуль деформации основания в целом;

β - коэффициент бокового расширения, равный 0.8 для композитного массива грунта;

- коэффициент относительной сжимаемости грунта;

m_с - коэффициент относительной сжимаемости колонны;

- коэффициент относительной сжимаемости рабочей ячейки (массива, состоящего из колонны и окружающего грунта) в целом;

- модуль деформации окружающего колонну грунта;

Е_с - модуль деформации материала колонны;

λ - коэффициент объемной деформации уплотняемого грунта при расширении скважины;

а - конечный радиус колонны;

b - радиус рабочей ячейки (половина проектного шага колонн уплотнения).

После произведенных расчетов фактический средний модуль деформации основания в целом сравнивают с проектным, и при несоответствии производят установку дополнительных колонн между ранее установленными.

Использование предлагаемого способа позволяет проектировать и осуществлять уплотнение оснований зданий и сооружений повышенной ответственности на выбранном участке строительства в соответствии с заданными проектными значениями без дополнительных затрат.