Способ укрепления грунтов основания зданий и земляного полотна линейных сооружений на вечномерзлых грунтах

Авторы патента:

E02D27/35 - возводимые в мерзлом грунте, например в вечномерзлом грунте

Владельцы патента RU 2537437:

Закрытое акционерное общество "Триада-Холдинг" (RU)

Изобретение относится к строительству сооружений, преимущественно на вечномерзлых грунтах и может быть применено для защиты основания на сильнольдистых вечномерзлых грунтах на слабом просадочном при оттаивании основании. Способ заключается в бурении скважин, разрушении через пробуренные скважины сильнольдистых фрагментов с последующим формированием в основании под сооружением армирующих элементов в виде свай путем заполнения образующихся полостей грунтоцементной пульпой. Формирование свай производят посредством образования грунтоцементного тела одновременно с бурением скважин путем нагнетания цементного раствора под высоким давлением с перемешиванием грунта при обратном движении бурового инструмента. Одновременно с формированием грунтоцементного тела производят оттаивание вечномерзлого грунта посредством добавления в нагнетаемый цементный раствор ускорителя набора прочности бетона для активизации гидратации бетона и увеличения экзотермии процесса. В качестве ускорителя набора прочности бетона в нагнетаемый цементный раствор добавляют негашеную известь-кипелку в количестве 10-15% и соляную кислоту в количестве 1-2%. Технический результат заключается в сокращении времени сооружения укрепляющих свай и ускорении набора прочности сооруженными сваями. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к строительству различных сооружений, преимущественно на вечномерзлых грунтах.

При строительстве на вечномерзлых грунтах в зависимости от конструктивных и технологических особенностей зданий и сооружений, инженерно-геокриологических условий и возможности целенаправленного изменения свойств грунтов основания применяется один из следующих принципов использования вечномерзлых грунтов в качестве основания сооружений.

Принцип I - вечномерзлые грунты основания используются в мерзлом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и в течение всего периода эксплуатации сооружения.

Принцип II - вечномерзлые грунты основания используются в оттаянном или оттаивающем состоянии (с их предварительным оттаиванием на расчетную глубину до начала возведения сооружения или с допущением их оттаивания в период эксплуатации сооружения).

Строительство по I принципу подразумевает обслуживание процесса сохранения мерзлоты в течение всего периода эксплуатации сооружения (эксплуатация охлаждающих установок, проветриваемых подполий и т.п.). При строительстве по II принципу эсплуатационные затраты на эти процессы исключаются.

Известны конструктивные приемы обеспечения устойчивости земляного полотна на слабом и просадочном при оттаивании основаниях посредством охлаждения пластично-мерзлых грунтов в основании зданий и сооружений с последующим сохранением проектного температурного режима грунтов (см., например, Г.Н. Максимов. «Руководство по устройству свайных фундаментов в вечномерзлых грунтах с предварительным охлаждением оснований». Москва, Стройиздат 1979, с.4, 5).

Перечисленные мероприятия требуют больших затрат на сооружение и поддержание в рабочем состоянии построенных сооружений и, как свидетельствуют опыт строительства и эксплуатации дорог, не решают полностью проблемы обеспечения устойчивости земляного полотна на грунтах 3 и 4 категорий просадочности.

Известен способ укрепления основания земляного полотна на вечномерзлых грунтах, включающий сооружение в основании под насыпью армирующих элементов (Патент РФ N 2006552, кл. E02D 17/18, 1994).

Недостатком известного способа являются большие трудозатраты и недостаточная устойчивость основания.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ укрепления основания земляного полотна на вечномерзлых грунтах, включающий сооружение в основании под насыпью армирующих элементов, путем бурения скважин и разрушения через пробуренные скважины сильнольдистых фрагментов с последующим удалением разрушенного льдистого грунта, а армирующие элементы сооружают путем замещения в образующихся полостях удаляемого грунта талым грунтом с требуемыми свойствами (см. Патент РФ №2074928, Кл. E02D 17/20, 1997).

В качестве основного недостатка указанного способа необходимо отметить высокую трудоемкость и длительность его осуществления, определяемые необходимостью разрушения мерзлого грунта, его извлечения и далее заполнения образовавшейся полости другим грунтом, который должен еще консолидироваться.

Изобретение направлено на снижение трудоемкости и ускорение сроков укрепления основания зданий и земляного полотна линейных сооружений на вечномерзлых грунтах как при их строительстве, так и при проведении ремонтных работ, вызванных протаиванием и просадками земляного основания.

Технический результат, получаемый при осуществлении предлагаемого способа заключается в сокращении времени сооружения укрепляющих свай и ускорении набора прочности сооруженными сваями.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе укрепления грунтов основания зданий и земляного полотна линейных сооружений на вечномерзлых грунтах, заключающемся в бурении скважин, разрушении через пробуренные скважины сильнольдистых фрагментов с последующим формированием в основании под сооружением армирующих элементов в виде свай, путем заполнения образующихся при бурении полостей грунтоцементной пульпой, формирование свай производят посредством образования грунтоцементного тела, а одновременно с бурением скважин производят нагнетание цементного раствора под высоким давлением с перемешиванием грунта. Одновременно с формированием грунтоцементного тела производят оттаивание вечномерзлого грунта путем добавления в нагнетаемый цементный раствор ускорителя набора прочности бетона для активизации гидратации и увеличения экзотермии процесса.

Целесообразно в качестве ускорителя набора прочности бетона использовать негашеную известь в количестве 10-15% и соляную кислоту в количестве 1-2%.

Предложенный способ осуществляют следующим образом.

В соответствии с разработанным проектом осуществляют бурение лидерных скважин буровым инструментом, в нижней части которого расположен монитор с соплами. После достижения проектной глубины осуществляют подъем буровых штанг с одновременной подачей цементного раствора через сопла монитора под давлением 400-500 атм и перемешиванием грунта. Эта технология обеспечивает совмещение по времени процесс укрепления грунтов основания с оттаиванием вечномерзлых грунтов. Поскольку оттаивание процесс эндотермический, а струйная цементация - экзотермический, совмещение указанных процессов позволяет сократить время на предварительное оттаивание и консолидацию грунтов и получать заранее заданные характеристики грунтов основания.

Для ускорения набора прочности бетона могут быть использованы различные ускорители набора прочности, выпускаемые разными фирмами, например ускоритель набора прочности «Реламикс» компании ОАО «Полипласт» или ускоритель твердения «Асилин» завода «Стройбетон» и др., которые добавляются в подаваемый в скважину цементный раствор.

Как показала практика, хороший результат может быть получен при применении в качестве ускорителя твердения извести-кипелки и соляной кислоты. Эффективность применения этого ускорителя твердения подтверждается нижеследующим тепловым расчетом при следующих исходных данных.

Теплота таяния (замерзания) грунта L_V ккал/м³ принимается равной количеству теплоты, необходимой для таяния льда (замерзания воды) в единице объема грунта, и определяется по формуле:

L_V=L₀(w_tot-w_w)P_d,

где L₀=93 Вт·ч/кг, 80 ккал/кг, Дж/кг - удельная теплота фазовых превращений вода - лед в расчете на единицу массы;

w_tot - суммарная влажность мерзлого грунта, доли единицы;

w_w - влажность за счет незамерзшей воды;

P_d - плотность сухого грунта (скелета грунта), кг/м³.

Рассмотрим тепловой баланс предлагаемого процесса.

Грунт основания представлен суглинком, суммарная влажность грунта W_tot=0,3 д.е.;

Влажность за счет незамерзшей воды w_w=0,08 д.е., плотность сухого грунта P_d=1400 кг/м³.

Определим теплоту таяния грунта (затраты на фазовые переходы) по формуле:

L_V=L₀(w_tot-w_w)P_d=93×(0,3-0,08)×1400=28644 Вт.ч/м³=103118400 джоулей

Выделение тепла 1 кг различных веществ, ккал

Гидролиз и гидратация цемента марки М400	30	В течении 3-х дней
Гидратация извести	276	В течении нескольких часов

Стандартный расход цемента на 1 м³ грунтоцементного тела - 450 кг.

Количество тепла, выделяющегося при гидратации 450 кг, составляет 450×30=13500 ккал = 13500000 кал = 56521800 джоулей, что явно недостаточно для оттаивания грунта. Более того, замедляется или даже останавливается схватывание грунтоцемента, т.к. часть не успевшей вступить в реакцию воды перейдет в кристаллическое состояние.

Добавка 15% от массы цемента извести-кипелки в цементный раствор позволит получить дополнительно 450×0,15×276=18630 ккал - 18630000 кал = 78000084 джоуля.

Тепловой баланс процесса становится положительным:

56521800+78000084-103118400=31403484 джоуля

Грунт будет оттаян и процесс схватывания грунтоцемента активизируется. Вынос части тепла с пульпой может компенсироваться увеличением % добавки извести-кипелки. В каждом конкретном случае эти соотношения уточняются опытным бурением.

Экспериментально установлено, что наиболее целесообразно добавлять в цементный раствор известь-кипелку в количестве 10-15%, а соляную кислоту соответственно в количестве 1-2%.

1. Способ укрепления грунтов основания зданий и земляного полотна линейных сооружений на вечномерзлых грунтах, заключающийся в бурении скважин, разрушении через пробуренные скважины сильнольдистых фрагментов с последующим формированием в основании под сооружением армирующих элементов в виде свай, путем заполнения образующихся при бурении полостей грунтоцементной пульпой, отличающийся тем, что формирование армирующих элементов производят посредством образования грунтоцементного тела одновременно с бурением скважин путем нагнетания в буримую скважину цементного раствора под высоким давлением с перемешиванием грунта и при этом одновременно с формированием армирующих элементов производят оттаивание вечномерзлого грунта путем добавления в нагнетаемый цементный раствор ускорителя набора прочности бетона для активизации гидратации и увеличения экзотермии процесса.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве ускорителя набора прочности бетона в нагнетаемый цементный раствор добавляют негашеную известь-кипелку в количестве 10-15% и соляную кислоту в количестве 1-2%.

Похожие патенты:

Фундамент сооружения // 2531155

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при сооружении фундаментов с применением винтовых свай в мерзлых грунтах. Винтовые сваи оснащаются соосно размещенными в них трубами с открытым нижним и заглушенным верхним торцами.

Плитный фундамент в слабом вечномерзлом грунте // 2529976

Изобретение относится к сооружению оснований и фундаментов в вечномерзлых грунтах. Техническим результатом изобретения является снижение трудоемкости по сооружению фундаментов.

Способ предохранения опорных элементов от морозного выпучивания грунта (варианты) // 2515246

Изобретение относится к строительству, в частности к способам защиты одиночных опорных элементов (например, свай и столбов) от воздействия сил морозного пучения грунтов, в том числе в районах распространения многолетнемерзлых грунтов.

Конструкция для предотвращения морозного пучения грунта // 2513078

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации зданий и сооружений, конкретно к защите от морозного выпучивания малозаглубленных фундаментов, дорожных покрытий и конструкций зданий, в частности крылец, пандусов и отмосток, окружающих здания.

Способ строительства фундамента в зимнее время // 2473742

Изобретение относится к строительству ленточных фундаментов под здания и сооружения различного назначения и может быть использовано при возведении мало- и многоэтажных зданий из монолитного бетона в зимнее время.

Способ изготовления свайного фундамента для вечномерзлого грунта // 2469150

Изобретение относится к строительству, к способам расчетов оснований сооружений, в частности к расчету нагрузки свай, погружаемых в вечномерзлый грунт. .

Способ возведения малозаглубленных и поверхностных фундаментов в условиях вечномерзлых грунтов // 2465407

Изобретение относится к строительству, а именно к возведению малозаглубленных и поверхностных фундаментов в условиях вечномерзлых грунтов. .

Противопучинный фундамент здания с подвалом // 2440464

Изобретение относится к строительству, в частности к строительству малоэтажных зданий с подвалом, возводимых на пучинистых грунтах в районах с глубоким сезонным промерзанием, где глубина промерзания может достигать 4 м и более.

Способ сооружения свайных фундаментов в промерзающих пучинистых грунтах // 2430214

Изобретение относится к области строительства и используется при сооружении свайных фундаментов преимущественно малоэтажных домов, мачт, рекламных щитов на промерзающих пучинистых грунтах.

Способ повышения прочности пластично-мерзлых грунтов и фундамент для реализации способа // 2422589

Изобретение относится к области строительства сооружений в районах широкого распространения пластично-мерзлых грунтов, в том числе засоленных грунтов. .

Способ подготовки к хранению и использованию объемной георешетки // 2530136

Изобретение относится к авто- и железнодорожному строительству, строительству аэродромов, объектов и сооружений различного назначения, ландшафтному строительству и может быть использовано для организации хранения и применения объемной георешетки при обустройстве основания дорожной одежды.

Противооползневое сооружение комбинированной конструкции // 2527034

Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть использовано для защиты прибрежных зон, дорог и других народно-хозяйственных объектов от оползней и обрушений грунтовых массивов.

Способ крепления откоса геосотовым геосинтетическим материалом // 2525405

Изобретение относится к области гидротехнического, гражданского и промышленного строительства и может быть использовано при креплении откосов грунтовых плотин, каналов, в берегоукреплении, ландшафтных работах, защите склонов от водной эрозии.

Способ укладки гибкого защитного бетонного мата на донную поверхность и универсальный гибкий защитный бетонный мат (варианты) // 2518419

Изобретение относится к гидротехническому строительству. Способ включает ориентирование гибкого бетонного мата (ГБМ) по отношению к донной поверхности одной или другой его стороной в зависимости от типа грунта.

Противооползневая система биопозитивной конструкции // 2512201

Изобретение относится к гидротехническому и природоохранному строительству и может быть использовано для защиты прибрежных зон, дорог и других народнохозяйственных объектов от оползней и обрушений грунтовых массивов.

Способ возведения противооползневого сооружения комбинированной конструкции // 2512199

Способ возведения противооползневой системы биопозитивной конструкции // 2512192

Устройство соединения для скрепления протяженных ячеистых конструкций локализации и соответствующий способ скрепления // 2510442

Изобретение относится к строительству, в частности к устройствам соединения для протяженных ячеистых конструкций локализации, предназначенных для удержания заполняющего материала.

Способ укрепления откосов земляного полотна // 2507343

Изобретение относится к области транспортного строительства и может быть использовано для укрепления откосов и основной площадки земляного полотна на участках с балластными углублениями.

Гибкий бетонный мат с фиксацией изгиба (варианты) // 2503773

Изобретение относится к гидротехническим сооружениям для укрепления берегов, дамб, русел и поверхностей иных объектов. Гибкий бетонный мат содержит бетонные блоки, соединенные между собой порядно и в рядах с зазором замоноличенным канатом.

Способ обезвоживания оползневого тела // 2537715

Изобретение относится к области строительства и горного дела и может быть использовано при креплении уступов карьеров, строительстве дорог, тоннелей, подверженных воздействию грунтовых вод. Техническим результатом является обеспечение надежности предотвращения образования оползней за счет полного отведения поверхностных и подземных вод от оползневого тела. Способ заключается в том, что проводят инженерно-геологические и гидрогеологические изыскания для определения наличия оползневых тел. Затем проводят биолокационную съемку, по результатам которой определяют подземные водотоки и выясняют их характеристики для определения количества и месторасположения сквозных фильтров. После чего на поверхности уступа, или откоса, или склона, или косогора за пределами оползневого тела проходят коллектор для сбора поверхностных вод и части неглубоких водотоков. После этого с подножия уступа, или откоса, или склона, или косогора проходят дренажную выработку в глубь уступа, или откоса, или склона, или косогора за пределы оползневого тела, с поверхности уступа, или откоса, или склона, или косогора бурят вертикальные скважины до сопряжения с дренажной выработкой под сквозные фильтры, сопряжения обустраивают камерами соединения, в вертикальные скважины с поверхности опускают сквозные фильтры, выполненные в виде труб с перфорированными участками отверстий и фильтрующими элементами, выполненными на уровне сопряжения с подземными водотоками, причем коллектор и дренажную выработку проходят с уклоном i=0,005 в сторону стока для самотека перехваченной воды. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.