способ усиления рыхлых оснований фундаментов направленным горизонтальным площадным гидроразрывом и устройство для горизонтального разрыва

Формула изобретения

1. Способ усиления рыхлых оснований фундаментов направленным горизонтальным площадным гидроразрывом, включающий образование скважины, введение в скважину полого цилиндра, подачу в его полость твердеющего раствора, отличающийся тем, что скважину бурят ниже подошвы существующего фундамента глубиной, равной мощности массива грунта, требующего усиления, перед введением цилиндра заполняют скважину глинистым раствором, при этом цилиндр содержит на внутренней поверхности засечки, которые при введении устройства ориентируют в направлении фундамента таким образом, чтобы они находились ниже подошвы фундамента в пределах сжимаемой толщи, а подачу твердеющего раствора в полость цилиндра осуществляют под давлением

P_н ·H·tg²(45°+ /2)+2·c·tg(45°+ /2), кПа,

где - удельный вес грунта выше плоскости гидроразрыва, кН/м ³;

Н - мощность слоя грунта от поверхности до плоскости гидроразрыва, м;

- угол внутреннего трения грунта, град.;

с - удельное сцепление грунта, кПа.

2. Устройство для горизонтального гидроразрыва грунта, содержащее размещенный в скважине полый цилиндр, верхний конец которого герметично соединен с приспособлением для подачи твердеющего раствора, отличающееся тем, что цилиндр сформирован из твердеющего раствора с концентраторами напряжений в виде засечек преимущественно треугольной формы, расположенных на внутренней поверхности цилиндра в одном или нескольких уровнях, ориентированных в направлении фундамента ниже его подошвы, при этом размеры цилиндра совпадают с размерами скважины, а его нижний конец закрыт наглухо.

Описание изобретения к патенту

Заявленное изобретение относится к области химического закрепления и усиления оснований фундаментов в промышленном и гражданском строительстве.

Известны способы закрепления и усиления рыхлых оснований фундаментов путем введения твердеющих растворов в поровое пространство грунта инъецированием через скважины [Ржаницын Б.А. Химическое закрепление грунтов в пространстве, М.: Стройиздат, 1986.].

Закрепленный массив грунта в этом случае образуется из элементов цилиндрической формы вокруг скважины, которые зависят от водопроницаемости грунта. Если использовать этот способ, чтобы закрепить грунт под фундаментом, необходимо бурить скважины с обеих сторон фундамента наклонно, но это увеличивает объем бурения и расход твердеющего раствора.

Известен способ усиления грунтов оснований фундаментов зданий и сооружений, включающий бурение скважин с установкой инъекторов, замачивание, уплотнение и армирование грунта через гидроразрыв с образованием системы вертикальных элементов повышенной жесткости (патент RU 2122068 С1, 6 Е02Д 3/12, 1998.11.20). В связи с тем что вертикальные элементы, образованные данным способом, в глинистых грунтах достигают толщины всего 0,04-0,14 м, в песках 0,25-0,30 м, то для существенного повышения несущей способности основания необходимо вдоль фундамента бурить большое количество скважин через каждые 0,5 м, что также увеличивает объем бурения и количество технологических операций, удорожая стоимость работ.

Известны устройства для осуществления способа гидроразрыва грунта, представляющие конструкцию в виде инъекторов, помещаемых в скважины (Осипов В.И., Филиппов С.Д. Уплотнение и армирование слабых грунтов методом "геокомпозит". Основания, фундаменты и механика грунтов. №5, 2002. с.15-21).

Инъекторы представляют собой трубы с сопловыми отверстиями, через которые подают твердеющие растворы под большим давлением, значительно превышающим бытовое давление грунта, обеспечивающее фактически струйную резку грунта. Вследствие этого в массиве формируется отдельные горизонтальные трубчатого сечения геокомпозитные образования диаметром 5-10 см, создающие каркасную структуру в массиве, а не площадное закрепление. Для сгущения каркаса в этом случае необходимо бурить повышенное количество скважин и увеличивать, соответственно, технологические операции. Кроме того, высокое давление нагнетания может приводить к прорыву растворов на поверхность.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ гидроразрыва рыхлых пород (авт. свидетельство СССР №1033752, бюллетень изобретений №29, 1983). В этом способе в вертикальную скважину, заполненную твердеющим раствором, опускают трубу с диаметрально расположенными треугольными выступами. После схватывания твердеющего раствора трубу извлекают, а в скважине на стенках по вертикали формируются треугольные засечки. Повторным нагнетанием раствора в скважину по ним происходит гидроразрыв по направлению засечек.

Устройство для осуществления способа выполнено в виде трубы с диаметрально противоположными треугольными выступами на наружной поверхности трубы. Выступы имеют форму, необходимую для образования треугольных засечек в скважине.

Недостаток такого способа и устройства заключается в том, что процесс подготовки скважины для гидроразрыва требует выполнения нескольких операций: заполнение скважины твердеющим раствором, помещение трубы для формирования треугольных засечек, выжидание схватывания раствора, подъем трубы. При этом только после повторного нагнетания раствора в грунте формируются вертикальные протяженные трещины с пропиткой стенок, создавая вертикальную армировку грунта, которая лишь частично обеспечивает повышение несущей способности грунта. Кроме того, конструкция в виде трубы, используемая в способе, значительно увеличивает время его осуществления, так как при значительном количестве скважин необходимо в каждую скважину опускать эту трубу и формировать засечки. В противном случае нужно заготавливать количество труб в зависимости от числа скважин, что усложняет и удорожает работы по закреплению грунта.

Изобретение направлено на повышение качества и эффективности усиления рыхлых оснований фундаментов, а также снижение трудоемкости при проведении данных работ и времени осуществления способа усиления.

Это достигается в способе усиления рыхлых оснований фундаментов направленным горизонтальным площадным гидроразрывом, включающим образование скважины, введение в скважину полого цилиндрического элемента - цилиндра, подачу в его полость твердеющего раствора, в котором согласно предлагаемому решению, скважину бурят ниже подошвы существующего фундамента глубиной, равной мощности массива грунта, требующего усиления, перед введением цилиндра заполняют скважину глинистым раствором, при этом цилиндр содержит на внутренней поверхности засечки, которые при введении цилиндра ориентируют в направлении фундамента таким образом, чтобы они находились ниже подошвы фундамента в пределах сжимаемой толщи, подачу твердеющего раствора в полость цилиндра осуществляют под давлением

P_н ·H·tg²(45°+ /2)+2·c·tg(45°+ /2), кПа;

где - удельный вес грунта выше плоскости гидроразрыва, кН/м ³;

Н - мощность слоя грунта от поверхности до плоскости гидроразрыва, м;

- угол внутреннего трения грунта, град.;

с - удельное сцепление грунта, кПа.

Способ осуществляется при помощи устройства, выполненного в виде полого цилиндрического элемента - цилиндра, который согласно предлагаемому решению выполнен из твердеющего раствора с внутренними концентраторами напряжений в виде засечек преимущественно треугольной формы, расположенных на внутренней поверхности цилиндра в одном или нескольких уровнях и направленных в одну сторону. При этом размеры цилиндра совпадают с размерами скважины и нижний конец цилиндра закрыт наглухо, а верхний герметично связан с приспособлением для подачи твердеющего раствора.

Авторами при экспериментальных проверках способа установлено, что после гидроразрыва развитие трещины происходит при давлениях нагнетания больше и даже меньше Н (Фатеев Н.Т., Карякин В.Ф., Власов Н.Г. Исследование способа возведения противофильтрационных завес из трещин гидроразрыва - Сб. Осушение месторождений, рудничная геология, специальные горные работы, гидротехника. - Белгород: ВИОГЕМ, 1980, с.80-83), так как гидроклин, острие которого имеет на режущей части толщину молекулярного уровня, создает на этой линии высокое давление, несравненно более чем Н.

Кроме того, при постановке экспериментов выявлено, что при излишнем давлении нагнетания выше предложенной математической зависимости происходят прорывы раствора на поверхность при малых глубинах по прослабленным структурным связям напластований грунта.

Поэтому, учитывая ранее выполненные исследования и то, что предложенный способ предполагается к использованию для укрепления рыхлых оснований фундаментов мелкого заложения, мы ввели ограничение давления развития трещины гидроразрыва знаком равенства и меньше в математической зависимости, которая отражает повышенное давление нагнетания, чем от собственного веса вышележащего грунта с обеспечением гидроразрыва.

Сущность изобретения поясняется чертежом. На фиг.1 изображено бурение скважины 1 ниже подошвы фундамента 2 на глубину закрепления массива грунта; на фиг.2 - размещение в скважине 1 цилиндра 3 с засечками 4; на фиг.3 показано нагнетание от нагнетательного насоса в приспособление 3 твердеющего раствора по шлангу 5, прикрепленному к штуцеру 6.

Устройство 3 для осуществления способа состоит из полого цилиндра, сформированного предварительно по длине и диаметру скважины в пресс-форме из твердеющего раствора, например карбамидной смолы. На внутренней поверхности цилиндра 3 выполнены в один или в несколько уровней концентраторы напряжения в виде засечек 4, преимущественно треугольной формы. Треугольная форма засечек наиболее предпочтительна для обеспечения концентрированного напряжения в вершине треугольника, направленного внутрь стенки цилиндра для осуществления гидроразрыва. Засечки направлены в одну сторону, при этом нижний конец цилиндра 3 закрыт наглухо, а верхний герметично связан с устройством для подачи твердеющего раствора, выполненным, например, в виде нагнетательного шланга 5. Герметичная связь со шлангом 5 осуществляется, например, с помощью штуцера 6 цилиндра 3 под диаметр гайки шланга 5.

Способ осуществляют следующим образом. В стороне от существующего фундамента, на расстоянии 1-1,5 м бурят вертикальную скважину 1 ниже подошвы фундамента 2 на глубину мощности массива грунта (фиг.1). Скважину заполняют жидким раствором, например, глинистым, для заполнения пространства между стенкой скважины и цилиндром, что исключает прорыв твердеющего раствора на поверхность при подаче его под давлением внутрь цилиндра и помещают в нее полый цилиндр 3, из твердеющего раствора, например раствора карбомидной смолы КФМТ плотностью 1,08 кг/см³ с кислотным отвердителем - 6%-ой соляной кислотой. На поверхности внутренней полости цилиндра 3 выполнены концентраторы напряжений в виде засечек 4, которые могут быть выполнены в одном или нескольких уровнях, это зависит от толщины укрепляемого массива грунта. В предлагаемом решении засечки выполнены в количестве двух уровней, так как этого достаточно при толщине слоя в 1 м. Ориентируют цилиндр 3 засечками 4 в сторону фундамента 2 так, чтобы они находились ниже подошвы фундамента в пределах расчетной сжимаемой толщи грунта (фиг.2). Далее по шлангу 5 в цилиндр подают твердеющий раствор желательно из того же состава, из которого выполнен цилиндр, так как он легко формирует сквозную трещину треугольной засечки, развиваясь под давлением в трещине гидроразрыва пласта. В качестве последнего используют распространенные твердеющие составы на основе карбомидных смол, жидкого стекла или полиизоционатов. Эти растворы позволяют заполнить поровое пространство грунта и трещины гидроразрыва, обеспечивая прочность полученного материала до 5 МПа и низкую водопроницаемость. В предлагаемом решении подают раствор смолы марки КФМТ с кислотным отвердителем - 6%-ой соляной кислотой - в количестве 5-10% от объема смолы. Твердеющий раствор подают под давлением, которое составляет 1,5 МПа, определяемым по формуле:

P_н ·H·tg²(45°+ /2)+2·c·tg(45°+ /2), кПа;

где - удельный вес грунта выше плоскости гидроразрыва, кН/м ³; Н - мощность слоя грунта от поверхности до плоскости гидроразрыва, м; - угол внутреннего трения грунта, град.; с - удельное сцепление грунта, кПа.

Попадая в цилиндр 3, раствор по концентраторам напряжений 4 прорывает цилиндр как гидроклин и образует горизонтальные трещины гидроразрыва 7 в массиве грунта, заполняя их и пропитывая грунт вокруг них в рассматриваемом случае на глубину до 30 см и длину закрепляемого слоя 2,5 м в песке, на глубину до 15 см и длину закрепляемого слоя 2,0 м в суглинке с последующим твердением (фиг.3). Количество уровней, то есть слоев геокомпозита определяется расчетом по величине необходимого расчетного сопротивления грунта с прослойками затвердевшего раствора или по величине расчетной осадки геокомпозитного грунта (СНиП 2.02.01-83 с.8, с.38). Объем раствора, нагнетаемого в цилиндр рассчитывается в зависимости от площади фундамента и толщины геокомпозитного слоя с учетом разновидности грунта. В результате образуется одно- или многослойный геокомпозит в массиве грунта под всей площадью подошвы фундамента при минимальном количестве скважин, что обеспечивает качество и эффективность усиления оснований фундаментов, а также снижение трудоемкости при проведении данных работ и времени осуществления способа усиления.