Способ усиления фундаментов

Изобретение относится к усилению фундамента, под подошвой которого образовалась карстовая воронка, и может быть использовано при ликвидации карстовых провалов. Способ усиления фундамента, под подошвой которого образовалась карстовая воронка, заключается в том, что ее заполняют бетоном, бурят скважины, устанавливают арматурный каркас, нагнетают в них под давлением цементный раствор. Бурятся скважины параллельно наклонной поверхности вокруг карстовой воронки до ее оси, а расстояние между осями скважин определяют по приведенной зависимости. Технический результат состоит в повышении несущей способности фундамента, снижении величины неравномерных деформаций основания, не допускающих прогрессирующего разрушения здания при образовании карстового провала в основании. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к усилению оснований фундамента, под подошвой которого произошли карстовые провалы.

Формирование провала под подошвой фундамента происходит, как правило, в результате обрушения кровли карстовой полости путем образования над полостью свода, у которого под воздействием различных факторов в массиве происходит обрушение пород с формированием сводов, которые постепенно продвигаются к поверхности земли. Свод промежуточных полостей выходит на земную поверхность в виде цилиндрического провала с последующим развитием в воронку за счет сползания массива грунта вокруг провала, имеющего в плане близкую к кругу форму.

Для зданий и сооружений разрушающее воздействие определяется самим фактором образования провалов.

При этом в местах образования провалов грунт "уходит" из подошвы фундамента, а нагрузка перераспределяется на соседние участки, где обеспечен контакт фундамента с грунтом основания, при этом в основании фундаментов зданий и сооружений в зоне карстовых деформаций будут возникать пластические напряжения и деформации (Гетман Н.Э. Расчет противокарстовых фундаментов зданий и сооружений // "Основания, фундаменты и механика грунтов". - 2008. - №1, c.25-28).

По этой причине несущая способность грунтов у границ карстовой полости снижается в связи с разуплотнением грунта вокруг полости и ростом давления в основании при перераспределении нагрузки на грунты от зданий и сооружений.

Горизонтальные перемещения поверхности основания U относительно центра провальной воронки, вызванные горизонтальными деформациями ((Метелюк Н.С., Бучинский Ю.Л., Коваленко М.А., Горновесова Т.Г. Проектирование и защита производственных зданий в особых условиях. Киев,« Будiвельник», 1984, с.20-21, рис.5) определяют по формуле

где L_m - размеры участка оседания;

ε - относительные деформации поверхности основания, определяемые по формуле

где S_m - вертикальная деформация (оседание);

х - расстояние от центра провала до определяемой точки.

В этой формуле не отражена зависимость влияния физико-механических свойств грунтов основания на размеры карстовой воронки.

Степень ослабления основания вокруг провала характеризуется отношением модуля деформации грунта за пределами зоны ослабленного основания к модулю деформации на краю провала и определяется по формуле

β=E₀/E₀₁,

где E₀ - модуль деформации грунта за пределами ослабленной зоны,

E₀₁ - модуль деформации грунта на краю провала.

Ширина зоны ослабленного основания вокруг провала определяется в зависимости от типа грунта, его состояния и глубины провала и определяется по таблице №9 (Метелюк Н.С., Бучинский Ю.Л., Коваленко М.А., Горновесова Т.Г. Проектирование и защита производственных зданий в особых условиях. Киев, «Будiвельник», 1984, с.21, рис.5).

В этих формулах не отражена зависимость влияния физико-механических свойств грунтов основания на размеры карстовой воронки.

В связи наличием пластических деформаций в зоне провала одновременно у границ карстового провала возникают горизонтальные перемещения грунта, что приводит к росту карстовой воронки и деформации здания.

Известен способ, замедляющий рост карстовой воронки в случае ее возникновения, которым является устройство фундамента в виде свайного поля. Расстояние между сваями не должно быть более 1/3…1/5 диаметра прогнозируемой воронки, а их длина - превышать возможную глубину провала на 0,5-0,7 м. Устойчивость сооружения может обеспечиваться увеличением опорной поверхности фундамента путем устройства резервного числа элементов опирания консольного типа (Ухов С.Б., Семенов В.В., Знаменский В.В., Тер-Мартиросян З.Г., Чернышев С.Н. Механика грунтов, основания и фундаменты. - М.: Издательство АСВ, 1994, с.446-447, рис.16.6, 16.7).

Недостатками рассмотренных способов являются:

- все предлагаемые способы относятся к прогнозируемым воронкам;

- невозможно определить глубину провала, так как он больше глубины воронки;

- не учитывают разнообразия типов карста (по литологии карстующихся пород, глубине их залегания, составу покровной толщи и т.д.);

- не учитывают механизмы образования карстов;

- не учитывают неоднородность грунтов основания и их реальную распределительную способность;

- не повышают прочность грунтов основания.

Известны способы тампонирования карстовых полостей и трещин, обнаруженных на земной поверхности в котлованах и горных выработках, закрепление закарстованных пород инъекцией цементационных растворов или другими способами (СНиП 22-02-2003 - Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. П.8 противокарстовые мероприятия).

Недостатками рассмотренных способов являются:

- невозможность контроля качества выполненных работ;

- применение сложного оборудования;

- закрепление грунтов производится на всю глубину закарстованных пород, что увеличивает расход материалов;

- работы производятся по всей площади строительной площадки.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ упрочнения закарстованных грунтов (Инструкция по проектированию зданий и сооружений в районах г.Москвы с проявлением карстово-суффозионных процессов. Мосгорисполком,1984, №149, с.11). В которой рекомендуется для обеспечения возможности заполнения карстовых воронок, образовавшихся под фундаментом здания или сооружения, и предотвращения их развития, предусматривать в проектах типовых и индивидуальных зданий и сооружений устройство в полах подвалов и в фундаментах сквозных отверстий размерами не менее 150×150 мм с шагом 6х6 м для нагнетания цементного раствора, бетона или бесцементного материала.

Недостатками данного способа являются:

- заполненные бетоном карстовые воронки не обладают достаточной несущей способностью, так как бетон сопрягается с разуплотненным грунтом;

- разуплотненный грунт вокруг воронки имеет заниженную несущую способность по сравнению грунтом вмещающего ее массива, а нагрузку в связи с ее перераспределением имеет увеличенную;

- бетон, заполняющий карстовую воронку, уплотняет собственным весом разуплотненный грунт, который уходит от подошвы фундамента, что приводит к дополнительным деформациям элементов конструкции зданий и сооружений.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение несущей способности фундаментов, под подошвой которого произошел карстовый провал.

Поставленная задача достигается тем, что в способе усиления фундаментов, под подошвой которых образовалась карстовая воронка, включающем заполнение бетоном карстовой воронки, бурение скважин, установку арматурного каркаса, нагнетание в них под давлением цементного раствора, согласно изобретению скважины бурят параллельно наклонной поверхности вокруг карстовой воронки до ее оси, а расстояние между осями скважин определяют по следующей зависимости:

где k- коэффициент фильтрации породы до цементации, м/сут;

t - время продвижения раствора в разуплотнением грунте на расстоянии L, сут;

Н - величина напора цементного раствора в скважине, кПа;

r - радиус скважины, м;

n - пористость разуплотненной породы.

Расстояние от оси буроинъекционной сваи до границы карстовой воронки принимают равной половине расстоянию между осями свай

Сущность способа усиления фундамента, под подошвой которого образовалась карстовая воронка, поясняется чертежами, где

- на фиг.1 изображен разрез фундамента, под подошвой которого образовалась карстовая воронка;

- на фиг.2 показан разрез заполненной бетоном карстовой воронки и наклонных буроинъекционных скважин с установленной арматурой после их инъекции мелкозернистым бетоном;

- на фиг.3 показана схема расположения буроинъекционных свай вокруг карстовой воронки.

В усиливаемом фундаменте 1, под подошвой которого в грунтовом массиве 2 возникла карстовая воронка 3, образовавшаяся за счет оползания грунта, расположенного вокруг цилиндрического карстового провала 4, имеющая конусообразную поверхность 5 и ограниченную разуплотненным грунтом 6 в котором, после заполнения бетоном 7 воронки 3, бурят до ее оси 8 наклонные скважины 9, которые после установки арматуры 10 инъекцируются цементным раствором 11. Расстояние между осями скважин определяется по следующей зависимости:

,

где k - коэффициент фильтрации породы до цементации, м/сут;

t - время продвижения раствора в разуплотненном грунте на расстоянии L, сут;

Н - величина напора цементного раствора в скважине, кПа;

r - радиус скважины, м;

n - пористость разуплотненной породы.

Расстояние от оси буроинъекционной сваи до границы карстовой воронки принимают равной половине расстоянию между осями свай.

Пример

Необходимо определить расстояние между осями буроинъекционных свай для упрочнения разуплотненного грунта, вмещающего карстовую воронку, при условии, что свая располагается в разуплотнением грунте, имеющем коэффициент фильтрации k=0,86-10^-1 м/сут, t=1 сут время продвижения раствора в разуплотненном грунте на расстояние L; величина напора в скважине Н=400 кПа, радиус скважины r=0,1 м, пористость разуплотненного грунта n=0,5.

Подставляем эти значения в формулу и определяем расстояние между осями буроинъекционных свай.

Экономическая эффективность усиления фундамента, под подошвой которого образовалась карстовая воронка, достигается повышением несущей способности основания фундаментов вокруг карстового провала и снижением величины неравномерных деформаций основания, не допускающих прогрессирующего разрушения здания при образовании карстового провала в основании.

1. Способ усиления фундамента, под подошвой которого образовалась карстовая воронка, заключающийся в том, что ее заполняют бетоном, бурят скважины, устанавливают арматурный каркас, нагнетают в них под давлением цементный раствор, отличающийся тем, что бурятся скважины параллельно наклонной поверхности вокруг карстовой воронки до ее оси, а расстояние между осями скважин определяют по следующей зависимости:

где k - коэффициент фильтрации породы до цементации, м/сут;
t - время продвижения раствора в разуплотненном грунте на расстоянии L, сут;
Н - величина напора цементного раствора в скважине, кПа;
r - радиус скважины, м;
n - пористость разуплотненной породы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что расстояние от оси буроинъекционной сваи до границы карстовой воронки принимают равной половине расстояния между осями свай.