способ стабилизации песчаного грунтового основания

Формула изобретения

Способ стабилизации песчаного грунтового основания, включающий изменение действующей на него нагрузки и выдерживание до стабилизации осадки, отличающийся тем, что предварительно отбирают образцы грунта основания, проводят их компрессионные испытания в воздушно-сухом и водонасыщенном состоянии, определяют приращение деформации при каждой нагрузке по разнице относительных деформаций в воздушно-сухом и водонасыщенном состояниях и строят график зависимости приращения деформаций от нагрузки, по которому определяют значение критической нагрузки, как обеспечивающей минимальное приращение деформации, а изменение действующей нагрузки на грунтовое основание осуществляют путем увеличения ее до значения критической нагрузки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительству, а именно к способам стабилизации грунта, например песчаного, в условиях подъема уровня грунтовой воды.

Известен способ стабилизации грунта путем изменения действующей нагрузки [1] Однако этим нельзя существенно повлиять на стабилизацию грунта из-за того, что изменение нагрузки приводит к соответствующему изменению осадки.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ стабилизации грунта [2] включающий изменение действующей на него нагрузки путем ее уменьшения и выдерживание грунта до стабилизации осадки.

Известный способ имеет следующие недостатки. В процессе эксплуатации объекта наблюдается подтопление основания и замачивание грунта. При этом увеличиваются его деформации. Необходимость уменьшения действующей на грунт нагрузки приводит, например, при эксплуатации объекта к необходимости снижать полезную нагрузку либо увеличивать опорную площадь фундаментов. Первое сопряжено со сложностью обеспечения нормального функционального процесса, на который рассчитан объект, и поэтому может быть неосуществимо, а второе с выполнением работ по подводке дополнительных фундаментов или увеличению площади опирания существующих.

Целью предлагаемого способа является уменьшение прироста деформаций грунта при его замачивании путем изменения действующей на него нагрузки и выдерживания до стабилизации осадки.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе стабилизации грунта, заключающемся в изменении действующей на него нагрузки и выдерживании до стабилизации осадки, предварительно отбирают образцы грунта основания, проводят их компрессионные испытания в воздушно-сухом и водонасыщенном состоянии, определяют приращение деформации при каждой нагрузке по разнице относительных деформаций в воздушно-сухом и водонасыщенном состояниях и строят график зависимости приращения деформаций от нагрузки, по которому определяют значение критической нагрузки как обеспечивающей минимальное приращение деформации, а изменение действующей нагрузки на грунтовое основание осуществляют путем увеличения ее до значения критической нагрузки.

При реализации этого способа наблюдается следующее. В процессе эксплуатации гражданских, промышленных объектов, земляных сооружений за счет инфильтрации жидкостей из технологических трубопроводов, емкостей, систем канализации, водоснабжения и по другим причинам имеет место подъем уровня грунтовой воды. Это приводит к снижению несущей способности и повышению деформативности грунта за счет изменения качества поверхности минеральных зерен, взвешивающего действия грунтовой воды и иных факторов. Минеральное зерно грунта (песок) как правило состоит из кристаллического ядра и покрывающей его оболочки. Последняя представлена плотным изотропным или чешуйчатым веществом или хлопьевидной массой. Главные химические компоненты вещества оболочки окись кремния, глинозем, окись железа; для нее характерно присутствие значительного количества органических соединений. Во всяком случае они как правило обладают высокой гигроскопичностью и, следовательно, при увлажнении способны ад- и абсорбировать значительное количество влаги. Это приводит к существенному снижению трения между минеральными зернами (что характерно для вторичных слоистых минералов; к ним во многом относятся и те, что слагают оболочку), их сцепления, повышению деформативности грунта. С другой стороны, при увлажнении существенно снижается твердость такой оболочки. В связи с этим при водонасыщении грунта имеют место следующие явления. На начальном (от значения равного нулю) этапе роста действующей на грунт нагрузки контакт зерен осуществляется через их оболочки, причем между значением действующей нагрузки и деформацией имеет место линейная зависимость. Затем при большем значении действующей нагрузки происходит качественное изменение состояния оболочки за счет уменьшения содержания в ней воды и уплотнения вещества, из которого она состоит. Следствием этого является снижение скорости роста деформаций по отношению к росту действующей нагрузки. При дальнейшем увеличении нагрузки контактные (в зонах контакта минеральных зерен) напряжения достигают текучести минерала оболочки и может наблюдаться ее продавливание. При этом по мере возрастания действующей нагрузки все больше зерен контактируют поверхностями своих ядер. То есть осуществляется (например, для чистого кварцевого песка) контакт кристаллического кварца по кристаллическому. А вода в таком контакте способствует увеличению трения, что ведет к снижению деформаций грунта. Таким образом, имеют место две группы процессов: одна - смачивание оболочки способствует повышению деформативности грунта, другая - уплотнение и продавливание оболочки ее снижению.

Таким образом, после замачивания грунта по мере роста действующей нагрузки сначала наблюдается увеличение приращения деформаций грунта и приращение достигает максимума, затем уменьшение и прирост деформаций достигает минимума. Далее как правило имеет место их возрастание. Значение действующей нагрузки, при которой наблюдается минимальное приращение деформации грунта, и следует принимать за критическое. Определяют его следующим образом. Отбирают образцы грунта и осуществляют их компрессионные испытания в воздушно-сухом состоянии, прикладывая к разным образцам разную нагрузку. При этом для более точного определения критического значения, по возможности и учитывая ее возможные значения на объекте, принимают минимальный шаг действующей на грунт нагрузки. Образцы испытывают, достигая момента стабилизации их деформаций. Затем, не разгружая, эти образцы замачивают до полного водонасыщения и вновь выдерживают до вторичной (после замачивания) стабилизации. Затем для каждой нагрузки определяют разницу относительных деформаций грунта в воздушно-сухом и водонасыщенном состоянии и строят график зависимости приращения деформаций от нагрузки. По нему определяют значение критической нагрузки как обеспечивающей минимальное приращение деформаций.

Для объекта, расположенного на площадке, на которой прогнозируется подтопление основания, сложенного песчаным грунтом, способ реализуют следующим образом. Отбирают образцы грунта. Их количество определяют исходя из требований действующих нормативов и с учетом возможности иметь минимальный шаг (например, в диапазоне 0,01.0,05 МПа) действующей нагрузки. Проводят их компрессионные испытания. Затем, не разгружая, образцы грунта замачивают в одометрах компрессионных приборов, вновь добиваются стабилизации деформаций и вычисляют приращения деформаций грунта. Для этого находят разницу относительных деформаций грунта после и до его водонасыщения. По этим значениям строят график зависимости приращения деформаций от нагрузки. По нему определяют критическую нагрузку как обеспечивающую минимальное приращение деформаций. Затем до момента подтопления основания осуществляют проектирование и реконструкцию объекта. При этом надстраивают дополнительно к существующим один или несколько этажей здания либо размещают дополнительное или более тяжелое технологическое оборудование, тем самым доводя действующую на грунт нагрузку до критической.

Эффективность заявляемого способа по сравнению с известным по прототипу оценивали по результатам испытания образцов кварцевого песка. Предварительно этот песок промывали водопроводной водой и высушивали до воздушно-сухого состояния. Его гранулометрический состав представлен в табл. 1.

Затем песок засыпали в одометры компрессионного прибора марки КПр 1, загружали вертикальной нагрузкой 0,025; 0,05; 0,10; 0,20 и 0,40 МПа (при этом принимали, что до реконструкции нагрузка на грунт составляет 0,05 МПа и, если использовать имеющийся фундамент, то после реконструкции она может составить 0,10; 0,20 или 0,40 МПа) и выдерживали до стабилизации деформаций, осуществляя их измерение. После этого осуществляли замачивание грунта водопроводной водой до его полного насыщения и вновь выдерживали до стабилизации деформаций, так же осуществляя измерение деформаций. Полученные результаты представлены в табл. 2.

Вычисленные значения разницы относительных деформаций грунта в воздушно-сухом и водонасыщенном состояниях представлены в табл. 3.

Из полученных результатов следует, что наибольшее приращение деформаций после замачивание грунта характерно для действующей нагрузки 0,05 МПа; ее критическое значение составляет 0,20 МПа. Поэтому для обеспечения минимального приращения деформаций грунта при его замачивании необходимо изменить действующую нагрузку путем ее увеличения с 0,05 до 0,20 МПа. Адекватного уменьшения приращения деформации грунта можно добиться лишь уменьшив действующую нагрузку с 0,05 до 0,042 МПа (определили, принимая линейной зависимость изменения приращения деформации от действующей нагрузки в диапазоне значений последней от 0,025 до 0,05 МПа). Однако это может быть достигнуто лишь путем подведения новых фундаментов либо многократным увеличением площади существующих и, таким образом, сопряжено со значительными дополнительными затратами, а потому неприемлемо.