Способ стабилизации лессовых просадочных грунтов

 

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для стабилизации свойств лессовых и других просадочных грунтов за счет устранения просадочности при возможном увлажнении путем нагнетания в грунт растворов. Способ стабилизации лессовых просадочных грунтов включает получение в грунте трещин гидроразывов путем образования замкнутой системы ресивер - рабочая емкость с последующим созданием в ней начального давления и мгновенной передачи его в инъекторы с одновременной подачей в грунт с заданной скоростью стабилизирующей суспензии или твердеющего раствора, после чего производится опрессовка массива грунта давлением, близким к начальному. Упрощается процесс нагнетания суспензии и твердеющего раствора за счет установления давления, соответствующего образованию трещин гидроразрывов в массиве в процессе нагнетания, уменьшаются неконтролируемые утечки суспензии и раствора, повышается качество уплотнения грунта. 2 ил.

Изобретение относится к области строительства, преимущественно на лессовых и других просадочных грунтах и может быть использовано для стабилизации их свойств за счет устранения просадочности при возможном увлажнении путем нагнетания в грунт растворов.

Известен способ улучшения массива лессового просадочного грунта в основании зданий и сооружений, согласно которому в природный (улучшаемый) грунт вводят раствор в виде суспензии из улучшаемого грунта (от 5 до 30% по весу) и воды, причем введение суспензии осуществляют путем ее нагнетания в грунт через инъекторы под давлением, соответствующим образованию гидроразрывов в грунте, а после окончания введения улучшающего раствора производят нагнетание в грунт твердеющего раствора (а.с. СССР N 1294910, кл. E 02 D 3/12, 3/10, 1987).

Недостатком способа является сложность определения давления, соответствующего образованию трещин гидроразрывов, возможность образования больших и неконтролируемых утечек раствора и недостаточная несущая способность закрепленного массива грунта.

Наиболее близким к заявляемому по совокупности существенных признаков является принятый нами за прототип способ уплотнения лессовых грунтов в основании зданий и сооружений, согласно которому суспензию в улучшаемый грунт вводят через инъекторы путем постепенного наращивания давления до 3-10 атм со скоростью 2-5 м³/ч в течение времени, необходимого для образования трещин гидроразрывов в массиве, а после чего скорость инъецирования суспензии уменьшают не менее чем в 2 раза для прекращения роста трещин гидроразрывов и замачивания зоны вокруг трещин. Затем осуществляют нагнетание твердеющего раствора и опрессовку грунта давлением (а.с. СССР N 2015217, кл. E 02 D 3/10, 3/12, 1994).

Недостаток способа состоит в сложности установления давления, соответствующего образованию трещин гидроразрывов в массиве, возможности образования больших и неконтролируемых утечек раствора и в недостаточно прочном закреплении лессового грунта.

Задача предполагаемого изобретения состоит в упрощении процесса нагнетания суспензии и твердеющего раствора за счет установления давления, соответствующего образованию трещин гидроразрывов в массиве, непосредственно в процессе нагнетания, а также в уменьшении неконтролируемых утечек суспензии и раствора, повышении качества уплотнения грунта.

Поставленная задача решается тем, что в способе стабилизации лессовых просадочных грунтов, включающем нагнетание через инъекторы в стабилизируемый грунт суспензии из улучшающего грунта под возрастающим давлением до образования трещин гидроразрывов в массиве стабилизируемого грунта и замачивания его с последующим нагнетанием твердеющего материала и опрессовкой массива грунта давлением, согласно изобретению трещины гидроразрывов получают путем образования замкнутой системы "ресивер - рабочая емкость" с последующим созданием в ней начального давления и мгновенной передачи его в инъекторы с одновременной подачей в грунт с заданной скоростью стабилизирующей суспензии или твердеющего раствора, причем начальное давление P_о рассчитывают по формуле: P_о=V_е(P_сг+P_а)/V_о+P_сг, кРа, где V_е - объем рабочей емкости, м³ ; V_о - объем ресивера, м³; P_а- атмосферное давление, кРа; P_сг - критическое давление, при котором образуются трещины гидроразрывов в массиве грунта, кРа, а опрессовку массива грунта осуществляют давлением, близким к начальному давлению P_о.

При анализе уровня техники не выявлен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемого решения, т.е. оно отвечает требованию новизны.

Не выявлены также признаки, являющиеся отличительными в заявляемом решении, т.е. оно отвечает требованию изобретательского уровня.

На фиг. 1 изображена схема установки для реализации способа стабилизации лессовых просадочных грунтов; на фиг. 2 - графики изменения давления P и расхода закрепляющего материала g во времени t.

Заявляемый способ реализуется с применением установки для инъекции грунтов. Установка содержит компрессор 1, ресивер 2, рабочую емкость 3, емкости для суспензии 4 и твердеющего раствора 5, нормально закрытые краны 6, 7, 8, 9, 10, 11, нормально открытый кран 12, клапан 13 с тарированной хрупкоразрушающейся мембраной, трубопроводы 14 и инъекторы 15. Ресивер 2 оборудован манометром 16, рабочая емкость 2 имеет объем, равный или дольно-кратный объему подаваемого в грунт раствора.

Способ осуществляется следующим образом.

Вначале из емкости для суспензии 4 заполняют рабочую емкость 3, трубопроводы 14 и инъекторы 15, открывая соответствующие краны 9, 10, 12. При открытых кранах 6, 7, 11 и закрытых кранах 10 и 12 в систему "ресивер 2 - рабочая емкость 3" от компрессора 1 подают давление P, постоянно увеличивая его до величины P_о, при котором происходит разрушение тарированной хрупкой мембраны клапана 13. Затем краны 6, 11 перекрывают, а кран 12 открывают. При этом создается новая замкнутая система "ресивер 2 - рабочая емкость 3 - трубопроводы 14 - инъекторы 15". Давление разрыва хрупкой мембраны клапана 13, соответствующее начальному давлению P_о, рассчитывают по формуле: P_о=V_е(P_сг+P_а)/V_о+P_сг, кРа, (1) где V_е - объем рабочей емкости 3, м³;
V_о - объем ресивера 2, м³;
P_а - атмосферное давление, кРа;
P_сг - критическое давление, при котором образуются трещины гидроразрывов в массиве грунта, кРа,
причем ожидаемое критическое давление P_сг определяется согласно решению осесимметричной задачи о расширении цилиндрической полости в грунте:

где
C - удельное сцепление грунта, кРа;
ϕ - угол внутреннего трения грунта, град;
P_h - горизонтальное природное давление в точке инъецирования, равное

где
γ - удельный вес грунта, кN/м³;
Z - глубина от поверхности до точки инъецирования, м;
ν - коэффициент поперечной деформации грунта.

Толщину хрупкоразрушающейся мембраны клапана 13 определяют предварительной тарировкой под давление P_о.

Общий объем суспензии и твердеющего раствора рассчитывается из условий уменьшения пористости лессового просадочного грунта до уровня 38-40%, при которой просадочные свойства не будут проявляться в случае возможного замачивания грунтовой толщи, и достижения грунтом необходимой несущей способности.

Процесс изменения давления P и расхода суспензии (раствора) g иллюстрируется графиками на фиг. 2 во времени t. Период времени от 0 до t₀ соответствует повышению давления в замкнутой системе "ресивер 2 - рабочая емкость 3" до величины P_о, при которой происходит разрушение тарированной хрупкоразрушающей мембраны клапана 13. В момент разрушения мембраны клапана 13 давление P резко падает (кривая 1), а расход раствора (кривая 2) резко возрастает, что связано с образованием трещин гидроразрывов в массиве грунта. При этом замкнутая система "ресивер 2 - рабочая емкость 3" переходит в замкнутую систему "ресивер 2 - рабочая емкость 3 - трубопроводы 14 - инъекторы 15".

В дальнейшем оба взаимосвязанных процесса (уменьшения давления P и увеличения расхода g) постепенно стабилизируются за время t_st. При этом давление P в системе "ресивер 2 - рабочая емкость 3 - трубопроводы 14 - инъекторы 15" снижается до величины критического давления гидроразрывов P_сг. Сечения трубопроводов 14 и пропускная способность нормально открытого клапана 12 рассчитываются исходя из заданной скорости поступления раствора в грунт - от 0,03 до 0,15 м³/мин.

Если при первом цикле не произошло поступления в грунт заданного количества суспензии (например, из-за ограниченности размеров рабочей емкости 3), выполняют второй, третий и т.д. циклы нагнетания.

После выполнения операций по насыщению лессового грунта суспензией в те же инъекторы 15 подают твердеющий раствор. Для этого из емкости 5 в рабочую емкость 3 подают заданное количество твердеющего раствора и, закрывая кран 11, обеспечивают поступление раствора в инъекторы 15. Далее в ресивере 2 создают давление P_о, рассчитываемое по формуле (1) и повторяют цикл нагнетания через открытый кран 11 и клапан 13 с тарированной хрупкоразрушающейся мембраной.

После осуществления инъекции производят опрессовку массива грунта давлением, близким к начальному давлению P_о, чем достигается дополнительное уплотнение закрепленного грунта и исключается дальнейшее возникновение трещин гидроразрывов.

Таким образом, применение заявляемого способа обеспечивает следующие преимущества.

1. Осуществлением подачи суспензии или твердеющего раствора через замкнутую систему "ресивер 2 - рабочая емкость 3 - трубопроводы 14 - инъекторы 15" обеспечивается автоматическая (независимо от оператора) установка давления P_сг, соответствующего образованию трещин гидроразрывов в грунте. Его не требуется определять путем постепенного увеличения (или уменьшения) давления с помощью насоса.

2. Уменьшение неконтролируемых утечек суспензии или твердеющего раствора достигается независимо от оператора - за счет неизбежного падения давления в замкнутой системе при возникновении утечек, при этом уменьшение утечек дополнительно достигается перерывами в процессе нагнетания либо применением растворов с добавками - ускорителями его твердения.

3. Передачей на грунт после инъекции повышенного давления (близкого к начальному давлению P_о) достигается опрессовка массива грунта, что обеспечивает уплотнение грунта в пространстве между инъекторами и повышение несущей способности закрепляемого грунта.

Предлагаемый способ может быть также использован для улучшения свойств обычных (непросадочных) грунтов. В этом случае исключают операции по насыщению грунта суспензией, а способ реализуется только в части нагнетания в грунт твердеющего раствора.

Формула изобретения

Способ стабилизации лессовых посадочных грунтов, включающий нагнетание через инъекторы и стабилизируемый грунт суспензии из улучшающего грунта под возрастающим давлением до образования трещин гидроразрывов в массиве стабилизируемого грунта и замачивания его с последующим нагнетанием твердеющего раствора и опрессовкой массива грунта давлением, отличающийся тем, что трещины гидроразрывов получают путем образования замкнутой системы ресивер - рабочая емкость с последующим созданием в ней начального давления и мгновенной передачи его в инъекторы с одновременной подачей в грунт с заданной скоростью стабилизирующей суспензии или твердеющего раствора, причем начальное давление P_o рассчитывают по формуле
P_o + P_cr, кРа,
где V_e - объем рабочей емкости, м³;
V_o - объем ресивера, м³;
P_a - атмосферное давление, кРа,
P_cr - критическое давление гидроразрывов, кРа,
а опрессовку массива грунта осуществляют давлением, близким к начальному давлению P_o.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2