Способ подготовки основания здания на слабых грунтах

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при возведении фундаментов зданий на слабых грунтах.

Известен способ создания искусственного основания зданий и сооружений, насыпей транспортных сооружений на слабых грунтах путём устройства грунтовой подушки, армированной полотнищами геосинтетиков – геотекстиля, георешёток, геоячеек (К. Д. Джоунс «Сооружения из армированного грунта. М., Стройиздат, 1989, с. 11, рис. 2.18 – аналог).

Эффективность армирования грунтовой подушки в основании здания полотнищами геосинтетиков, размещаемыми в горизонтальной плоскости, существенно снижается за счёт их прогиба и растяжения в местах действия максимальных напряжений (К. Д. Джоунс «Сооружения из армированного грунта. М., Стройиздат, 1989, с. 133-134; B. R. Jones. A qualitative model study on the effect of geosynthetics foundation reinforcement in sand overlying very soft clay / B. R. Jones, S. W. Jacobsz, J. L. van Rooy// Journal of the South African Institution of Civil Engineering. – 2016. – Vol. 58 (2). P. 25-34 – figure 4-6 p. 28-30).

Указанные недостатки могут частично или полностью устраняться за счёт предварительного, то есть до возведения фундаментов, прогиба и напряжения армирующих слоёв.

Известен способ включения в работу полотнищ геосинтетика не за счет прогиба при осадке основания, а за счёт их укладки по криволинейным поверхностям, с выгибом вверх в пространстве между фундаментами. В частности, этот способ реализован в фундаменте здания, опирающемся на естественное или искусственное основание с криволинейной цилиндрической поверхностью, покрытой мембраной, края которой прикреплены к опорному контуру (Патент РФ №2491386, МПК ЕО2D 27/01, 2013 – аналог). При загрузке фундамента мембрана натягивается, благодаря чему напряжения перераспределяются на бо́льшую площадь основания. Однако формирование криволинейной поверхности основания весьма нетехнологично и трудоёмко, а валы грунта выше подошвы фундамента уменьшают полезный объём подвальных помещений. Кроме того, из-за отсутствия предварительного напряжения армирующих слоев их включение в работу будет происходить лишь по мере развития осадки фундаментов.

Известен способ возведения плитно-свайного фундамента, включающий устройство свай, укладку эластичной герметичной мембраны по криволинейному основанию, установку труб-инъекторов, выполнение ростверков и цилиндрических железобетонных оболочек и опрессовку грунтового основания между фундаментами путем нагнетания цементного раствора через инъекторы под мембрану (Патент РФ №2616633, МПК ЕО2D 27/12, 2017 – аналог). Формирование криволинейной поверхности основания, выполнение цилиндрических оболочек и инъекция раствора отличаются высокой трудоемкостью и существенно замедляют выполнение работ. Кроме того, для предотвращения раскрытия трещин в железобетонной оболочке потребуется ее усиленное армирование.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ подготовки основания цилиндрического резервуара на слабых неравномерно сжимаемых грунтах, включающий отрывку котлована, устройство с послойным уплотнением грунтовой подушки, раскладку на каждом уплотняемом слое армирующих полотен и кольцевых жёстких элементов, натяжение армирующих полотен и крепление их к кольцевым элементам (Патент РФ №2308574, МПК E02D 27/00, 2006 – прототип).

Недостатком способа является высокая трудоёмкость его осуществления и необходимость применения специальных приспособлений для натяжения и крепления армирующих полотен. Кроме того, технически сложным является одновременное равномерное натяжение полотен во взаимно перпендикулярных направлениях, без которого из-за деформации кольцевых элементов эффект предварительного напряжения полотен не будет достигаться.

Задачей изобретения является повышение эффективности работы армированной грунтовой подушки за счёт обеспечения предварительного напряжения и прогиба полотнищ армирующего материала.

В способе подготовки основания здания на слабых грунтах, включающем отрывку котлована, отсыпку грунтовой подушки с послойным уплотнением, укладку полотнищ армирующего материала и анкеровку их концов, на участках основания, подверженных воздействию создаваемых фундаментом вертикальных сжимающих напряжений, в подушку отсыпается несвязный грунт, между этими участками – несвязный грунт с включениями материала, набухающего при увлажнении, например, глины, после достижения проектной высоты подушку увлажняют, устраивают технологический перерыв, а перед монтажом фундаментов выравнивают её поверхность.

Последовательность подготовки основания здания на слабых грунтах иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан поперечный разрез подушки сразу после отсыпки с послойным уплотнением и укладкой полотнищ армирующего материала, на фиг. 2 – то же, после увлажнения, на фиг. 3 – подушка с опирающимися на нее фундаментами.

Способ осуществляют следующим образом.

После отрывки котлована 1 в массиве слабого грунта 2 и осуществления мероприятий по водопонижению, послойно по участкам отсыпают несвязный грунт 3 и несвязный грунт с включениями материала, набухающего при увлажнении, 4. Несвязный грунт 3 размещают на участках основания 5, где после возведения здания в основании фундаментов будут действовать вертикальные сжимающие напряжения, а несвязный грунт с включениями набухающего материала 4 – между указанными участками. Каждый слой уплотняют по всей площади котлована. На заданных отметках до отсыпки очередного слоя грунта производят укладку в тело подушки полотнищ армирующего материала 6 и анкеровку их концов одним из известных способов, например, путём отгиба и заделки в следующий слой грунта, крепления к жестким элементам и т.п. В результате выполнения указанных операций формируется грунтовая подушка с одним или несколькими горизонтальными слоями гибкого армирующего материала, например, георешётки, геотекстиля и т.п. После чего приступают к увлажнению грунта, например, за счёт прекращения водоотлива или подачи воды на поверхность подушки. Увлажнение приводит к увеличению объёма грунта 4, размещённого в подушке между участками основания 5, где слои армирующего материала поднимаются вверх, получая предварительное напряжение. На участках основания 5, где грунт подушки не увеличивается в объёме, в слоях армирующего материала формируется прогиб.

По завершении технологического перерыва, продолжительность которого определяют по стабилизации деформаций, обусловленных набуханием, выравнивают поверхность подушки и приступают к монтажу фундаментов здания 7.

В качестве набухающего материала может использоваться глина. В частности, известны бентониты - монтмориллонитовые глины, давление набухания которых превышает 10⁴ кПа (S.S.Gonzalez. The swelling pressure of bentonite and sand mixtures/ Master thesis. Stockholm. 2013. - p.22).

Деформации набухания таких грунтов при внешнем давлении 100 кПа могут достигать 40% от толщины слоя (Q.Wang, A.M.Tang, P.Delage, B.Gatmiri. Experimental study on the swelling behavior of bentonite/ claystone mixture/ HAL Id: hal-00655761/ https://hal-enpc.archives-ouvertes.fr/hal-00655761/ 2012/ fig.9). Заметим, что давление, создаваемое слоем грунта 2 - 3 м составляет 30 – 60 кПа, что существенно меньше 100 кПа, поэтому деформации набухания будут больше 40%. Управлять величиной подъема армированной подушки можно путем внесения различного количества включений глины в ее смесь с несвязным грунтом.

При низком расположении уровня грунтовых вод, когда в процессе эксплуатации здания усадка может привести к снижению напряжений в армирующем материале, а также вызвать осадку опирающихся на грунт полов, в качестве материала включений может использоваться, например, расширяющийся цемент.

Предлагаемый способ подготовки основания здания на слабых грунтах позволяет повысить эффективность работы армированной грунтовой подушки за счёт формирования прогиба полотнищ и их предварительного напряжения в период устройства подушки.