Способ укрепления мерзлого грунта в зоне протаивания

Способ укрепления мерзлого грунта в зоне протаивания

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к строительству, в частности к укреплению мерзлого грунта в зоне протаивания под фундаментами зданий и сооружений.

Известны способы укрепления вечномерзлого грунта с использованием различных охлаждающих устройств, например замораживающих колонок с различным их расположением (Искусственные основания. М.: Гос. изд-во литературы по строительству, архитектуре и строительным материалам, 1961 / Академия строительства и архитектуры СССР. НИИ оснований и подземных сооружений. Сб. №45, с.71-75), холодильных установок (Там же, с.45), трубчатых охлаждающих воздушных систем (Фундаменты сооружений на мерзлых грунтах Якутии. М.: Наука, 1968, с.105).

Недостатком известных способов является необходимость соблюдения температурного режима в грунте основания и большие затраты на поддержание заданного температурного режима.

Наиболее близким к предлагаемому является способ уплотнения грунта, включающий погружение в грунт инъектора, подачу раствора под давлением, измерение и регистрацию давления раствора, образование зоны уплотненного грунта и последующие погружения инъектора с образованием примыкающих зон уплотненного грунта, причем уплотнение дисперсного грунта производят путем нагнетания уплотняющего и проникающего раствора, обеспечивающего разрушение структуры грунта в зонах его ослабления, с предварительным уплотнением грунта по контуру зоны уплотнения (патент РФ №2119009, опубл. 20.09.98, приоритет 27.01.97).

Недостатком данного способа является невозможность укрепления этим методом вечномерзлого грунта из-за возможного дальнейшего его протаивания через теплопроводящий слой образованной зоны уплотнения. Наличие в зоне уплотнения воды в условиях мерзлоты часто приводит к дополнительному протаиванию грунта и увеличению его осадок. В приконтактной зоне с мерзлотой образуется ледяная прослойка, которая в процессе эксплуатации при колебаниях температур может вновь превратиться в воду. Кроме того, присутствие воды в зоне уплотнения значительно замедляет сам процесс подачи уплотняющего и проникающего раствора и, следовательно, снижает эффективность использования известного способа.

Техническая задача, решаемая в предлагаемом изобретении, заключается в расширении области применения способа для укрепления мерзлого грунта в зоне протаивания при повышении его надежности и эффективности.

Поставленная задача решается тем, что в способе укрепления мерзлого грунта, включающем погружение в грунт инъектора, подачу уплотняющего и проникающего раствора под давлением, обеспечивающим разрушение структуры грунта в зонах его ослабления с образованием зоны уплотненного грунта по контуру зоны уплотнения и последующие погружения инъектора для образования примыкающих зон уплотнения, в качестве уплотняющего и проникающего раствора используют раствор с наполнителем, при этом в качестве наполнителя используют материал с теплопроводностью меньшей, чем теплопроводность укрепляемого грунта, например керамзит, перлит, пенопласт и т.п. Это обеспечивает создание в укрепляемой зоне теплоизолирующего экрана, способствующего понижению ее температуры, предотвращая дальнейшее протаивание и уменьшая вероятность осадки грунта.

Целесообразно перед подачей уплотняющего и проникающего раствора ввести в грунт фильтр для оттока воды, обеспечивающий повышение скорости оттока воды из зоны уплотнения за счет большого давления, создаваемого инъектором в зоне уплотнения. Это позволяет повысить надежность укрепления мерзлого грунта в зоне протаивания за счет обезвоживания укрепляемой зоны при увеличении скорости подачи уплотняющего и проникающего раствора.

Целесообразно в качестве уплотняющего и проникающего раствора использовать охлажденный соленый раствор с наполнителем. Это позволяет полностью исключить дополнительное протаивание грунта и связанную с ним осадку фундамента за счет понижения температуры зоны уплотнения и ускорения замерзания грунта.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где представлена схема укрепления вечномерзлого грунта.

Для реализации предлагаемого способа используют инъектор 1 для подачи уплотняющего и проникающего раствора и фильтр 2 для приема воды.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Инъектор 1 погружают в грунт под свайный фундамент 3 в зону 4 протаивания в процессе эксплуатации. Вводят в грунт фильтр 2 для оттока воды и подают в зону слабого оттаявшего грунта 5 соленый охлажденный раствор 6 с наполнителем, теплопроводность которого меньше, чем у грунта. Раствор 6 подают под давлением, обеспечивающим разрушение структуры грунта в зонах его ослабления с образованием зоны уплотненного грунта по контуру зоны 7 уплотнения. Низкотеплопроводные материалы не поглощают воду в отличие, например, от цементирующих материалов, а слобофильтрующие водонасыщенные вечномерзлые грунты не могут обеспечить быстрый отток воды из зоны уплотнения. Фильтр 2 обеспечивает быстрый отток воды из зоны уплотнения за счет большого давления в зоне уплотнения, способствуя тем самым улучшению теплоизоляционных свойств зоны уплотнения и увеличению скорости подачи раствора 6. Для образования примыкающих зон уплотнения производят последующие погружения инъектора 2 до образования зоны 7 уплотненного грунта, практически примыкающей к природной границе 8 вечномерзлого грунта. Зона 7 уплотненного грунта образует теплоизоляционный экран, предотвращающий дальнейшее протаивание вечномерзлого грунта, исключая вероятность дополнительных осадок грунта. Экспериментальные исследования показали, что после окончания работ граница 9 вечномерзлого грунта перемещается к поверхности земли - в зону 7 уплотненного грунта за счет понижения температуры зоны протаивания. Новая граница 9 мерзлоты (граница отрицательных температур) определяется максимально возможным перепадом температур на поверхности земли и слоев вечной мерзлоты, толщиной теплоизоляционного слоя, коэффициентом теплопроводности грунта и теплоизолирующего материала.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет эффективно и надежно укрепить и защитить в дальнейшем от температурных воздействий вечномерзлые грунты под фундаментами зданий и сооружений, повысить их несущую способность.

Пример конкретного выполнения предлагаемого способа укрепления мерзлого грунта в зоне протаивания.

Основанием здания трехэтажного жилого дома является вечномерзлый грунт, залегающий на глубине 5,5 м от природной границы вечномерзлого грунта. Для передачи нагрузки от фундаментов на вечномерзлый грунт использованы вмороженные в него сваи сечением 0,30×0,30 м и длиной 8 м. Талый грунт, расположенный непосредственно под подошвой фундамента, представлен мягкопластичным суглинком, вечномерзлый грунт - пластичным суглинком слоистой криогенной текстуры с толщиной ледяных включений до Δ_л=70 мм. Плотность мерзлого грунта в сухом состоянии p_df=1.12 г/см³. При его оттаивании относительное сжатие составляет 0,135. На момент начала уплотнения граница вечномерзлого грунта просле протаивания в процессе эксплуатации опустилась на 1,7 м, что привело к большим и неравномерным осадкам фундамента здания. При дальнейшем продвижении фронта протаивания здание могло полностью разрушиться. В грунт под свайный фундамент был введен инъектор; фильтр для оттока воды введен в середину свайного основания. Через инъектор в слой оттаявшего грунта введен под давлением охлажденный соленый раствор с наполнителем из керамзитового песка с плотностью р₀=0,68 г/см³ и коэффициентом теплопроводности λ=0,27 Вт/мс, что в 6 раз меньше теплопроводности обычного цементного уплотняющего и проникающего раствора и в 5,8 раз меньше теплопроводности природного грунта. Всего в зону протаивания введено 0,32 м³ раствора на 1 м³ уплотненной зоны. В результате природный грунт в области уплотнения приобрел плотность сухого грунта ρ_а=1,65 г/см³. Зоной уплотнения образован теплоизоляционый экран толщиной в среднем 0,55 м, который позволил остановить дальнейшее протаивание основания, понизить температуру грунта в зоне острия свай и свести относительное сжатие практически к нулю, прекратив таким образом осадку свайного фундамента. По истечении времени, равного приблизительно трем суткам с момента проведения работ, была исследована подфундаментная область путем отбора проб глубинных слоев. В результате установлено, что граница вечномерзлого грунта после стабилизации температур переместилась в зону уплотнения. Использование одного фильтра для приема воды позволило ускорить процесс уплотнения с 5 до 2 суток.

Таким образом, укрепление мерзлого грунта в зоне протаивания осуществляют за счет подачи под давлением в зону ослабленного грунта раствора с наполнителем, материал которого обладает хорошими теплоизоляционными свойствами в отличие от известных способов укрепления грунта с применением песчано-цементных смесей, позволяет сместить границу отрицательных температур в зону протаивания, надежно укрепить и защитить в дальнейшем от температурных колебаний вечномерзлый грунт, при этом использование охлажденного соленого раствора исключает дополнительное протаивание грунта, а применение фильтра для оттока воды из зоны уплотнения и обезвоживание раствора при инъектировании увеличивает скорость подачи раствора, повышает надежность и эффективность использования предлагаемого способа.

1. Способ укрепления мерзлого грунта в зоне протаивания, включающий погружение в грунт инъектора, подачу уплотняющего и проникающего раствора под давлением, обеспечивающим разрушение структуры грунта в зонах его ослабления с образованием зоны уплотненного грунта по контуру зоны уплотнения, и последующие погружения инъектора для образования примыкающих зон уплотнения, отличающийся тем, что в качестве уплотняющего и проникающего раствора используют охлажденный соленый раствор с наполнителем из материала, теплопроводность которого меньше, чем теплопроводность укрепляемого грунта.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве наполнителя использован керамзитовый песок.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве наполнителя использован гранулированный пенопласт.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве наполнителя использован перлит.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что перед подачей уплотняющего и проникающего раствора вводят в грунт фильтр для оттока воды из зоны уплотнения.