Устройство для защиты зданий и сооружений от вибрации и способ его возведения

Изобретение относится к строительству, в частности к устройствам защиты зданий и сооружений от колебаний грунта, в том числе в техногенных и сейсмических зонах. Устройство для защиты зданий и сооружений от вибрации содержит расположенный на пути распространения волн в грунте ряд вертикальных или наклонных скважин с наполнителем. Вертикальные или наклонные скважины пробурены посредством размыва грунта по струйной технологии и заполнены аэрированной водогрунтовой пульпой, полученной при бурении скважины, объемной массой менее 1,4 г/см³ и модулем упругости, равным 0,01-0,1 модуля упругости грунта. Также предложен способ. Технический результат состоит в расширении технологических возможностей, повышении эффективности защиты зданий и сооружений от вибрации от техногенных и сейсмических источников, при упрощении и снижении себестоимости возведения защитных устройств. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

 

Изобретение относится к строительству, в частности к устройству защиты зданий и сооружений от колебаний грунта, в том числе техногенных и сейсмических.

Известен способ защиты зданий или сооружений от вибраций, включающий выполнение по периметру здания экрана из блоков антисептированных древесных опилок в вакуумной целлофановой упаковке [1].

Недостатками известного устройства и способа его возведения являются сложность выполнения работ рядом с действующими коммуникациями, трудоемкость изготовления блоков и их заложения в траншею и низкая эффективность защиты от колебаний из-за повышенной жесткости блоков вследствие обжатия атмосферным давлением.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для защиты зданий и сооружений от вибраций и способ его возведения, включающий выполнение экрана в виде пробуренных скважин, обработанных уплотняющим раствором [2]. Недостатком данного способа является низкая эффективность защиты вследствие того, что обработка скважин уплотняющим раствором может повышать жесткость грунта в ограниченных пределах.

Техническая задача - расширение технологических возможностей, повышение эффективности защиты зданий, сооружений, в том числе с фундаментами глубокого заложения (глубиной до 30 м), от вибрации в диапазоне частот 10-100 Гц от техногенных (колесный и железнодорожный транспорт, трамвай, метрополитен, промышленное оборудование) и сейсмических источников, при упрощении технологии и снижении себестоимости возведения защитного устройства.

Поставленная задача реализуется таким образом, что в устройстве для защиты зданий и сооружений от вибрации, содержащем расположенный на пути распространения волн ряд вертикальных или наклонных скважин в грунте с наполнителем, согласно изобретению скважины пробурены посредством размыва грунта по струйной технологии и заполнены аэрированной водогрунтовой пульпой, полученной при бурении скважины, объемной массой менее 1,4 г/см³ и модулем упругости, равным 0,1-0,01 модуля упругости грунта. При этом аэрированная водогрунтовая пульпа дополнительно содержит вяжущее, например цемент, и/или аэрированная водогрунтовая пульпа дополнительно содержит поверхностно-активные вещества, или аэрированная водогрунтовая пульпа содержит вспенивающееся вещество, например полиуретановый реактив, аэрированная водогрунтовая пульпа дополнительно содержит газообразователь, например алюминиевую пудру, или аэрированная водогрунтовая пульпа дополнительно содержит гранулы пенополистирола. При этом в скважине, заполненной пульпой, размещен железобетонный или металлический несущий элемент.

А в способе возведения устройства для защиты зданий и сооружений от вибрации, включающем бурение в грунте ряда вертикальных или наклонных скважин на пути распространения волн от виброисточника к зданию, сооружению и заполнение их наполнителем, согласно изобретению бурение скважин осуществляют путем размыва и аэрации грунта водовоздушной струей до образования аэрированной водогрунтовой пульпы с объемной массой менее 1,4 г/см³, с последующей выдержкой ее до стабилизации пульпы или затвердевания и достижения модуля упругости, равного 0,01-0,1 модуля упругости разрабатываемого грунта. Причем размыв грунта возможно производить цементным раствором. При этом при размыве грунта в аэрированную водогрунтовую пульпу добавляют газообразующую добавку, или пенообразователь, или полиуретан, или пенополистирольные гранулы, для понижения модуля упругости и объемной массы. При этом после образования аэрированной водогрунтовой пульпы в скважину помещают железобетонный или металлический несущий элемент с последующей выдержкой до загустевания или затвердевания пульпы.

Предлагаемое устройство и способ его возведения отличаются от известного тем, что вертикальные или наклонные скважины пробурены посредством размыва грунта по струйной технологии и заполнены аэрированной водогрунтовой пульпой, полученной при бурении скважины, объемной массой менее 1,4 г/см³ и модулем упругости, равным 0,1-0,01 модуля упругости грунта. При этом аэрированная водогрунтовая пульпа может дополнительно содержать вяжущее, например цемент, ПАВ, вспенивающееся вещество, например полиуретановый реактив, газообразователь, например алюминиевую пудру, гранулы пенополистирола. Кроме того, в образованную пульпу помещают железобетонный или металлический несущий элемент.

Технический результат - обеспечение виброзащиты зданий с фундаментами мелкого и глубокого заложения в широком диапазоне частот от 10 до 100 Гц за счет возможности устройства скважин глубиной до 40 м с использованием струйной технологии «джет граутинг» и одновременным заполнением их аэрированной водогрунтовой пульпой, полученной при размыве грунта, с объемной массой менее 1,4 г/см³, обеспечивающей получение наполнителя с модулем упругости, меньшим модуля разрабатываемого грунта до 100 раз, что позволяет соответственно получить практически полное затухание колебаний у фундамента здания. Снижение уровня колебаний грунтовых массивов, зданий или сооружений от вибраций происходит вследствие перераспределения энергий волн в грунте, в том числе за счет их отражения от скважин, заполненных наполнителем с повышенной или пониженной жесткостью относительно жесткости разрабатываемого грунта.

Значительно снижается себестоимость работ за счет расширения технологических возможностей использования струйной технологии и применения в качестве наполнителя широкого ряда материалов, снижающих или повышающих жесткость водогрунтовой смеси. Появляется уникальная возможность выполнения работ рядом с существующими действующими коммуникациями и сооружениями без их специальной защиты. Скважина с пульпой может устраиваться вплотную к существующему свайному фундаменту. Свайный фундамент нового здания может сооружаться непосредственно через скважины устройства для защиты зданий от вибрации, обеспечивая защиту и нового здания.

На фиг.1 представлено устройство для защиты зданий и сооружений от вибрации; фиг.2 - схема размывания скважины и заполнения аэрированной водогрунтовой пульпой по струйной технологии; фиг.3 - разрез с рядом скважин, заполненных пульпой.

Устройство состоит из расположенного на пути распространения колебаний к зданию 1 в грунтовом массиве 2 от источника вибрации 3 ряда скважин 4, заполненных аэрированной водогрунтовой пульпой 5 с помощью буровой установки 6, содержащей многотрубную штангу 7 и штуцера подачи воды, воздуха, цементного раствора соответственно 8, 9, 10. В скважине 4, заполненной пульпой 5 размещен железобетонный или металлический несущий элемент 11, который может быть использован в качестве свайного элемента.

На расстоянии от здания 1 на пути распространения волн от источника вибрации 3 пробуривают ряд скважин 4. Используют технологию «джет граутинг» с размывом грунта водовоздушной струей 1. В скважине образуется водогрунтовая пульпа аэрированная воздухом, с объемной массой менее 1,4 г/см³. После стабилизации и затвердевания пульпы в скважине образуется наполнитель, модуль упругости которого меньше модуля упругости разрабатываемого грунта более чем в 10 раз.

Специальная буровая установка 6 для струйной цементации грунтов с помощью многотрубной штанги 7, снабженной штуцерами 8, 9, 10 для подачи под давлением струй воды, воздуха и цементного раствора, выполняет весь комплекс работ.

Дополнительно при необходимости в свежеотформованную пульпу известным механизмом (краном; или сваебойным копром) погружают металлический или железобетонный элемент 11 для возможности опирания несущих конструкций. Элемент 11, например железобетонная свая, может дополнительно содержать виброизолирующую «рубашку» 12 из пористого материала, например поролона.

Чтобы дополнительно снизить модуль упругости материала наполнителя и жесткость, при бурении скважины или после того, но до затвердевания, в аэрированную водогрунтовую пульпу вводят вяжущее, например цемент и/или ПАВ, и/или газообразователь, например алюминиевую пудру, или вспенивающееся вещество, например полиуретановый реактив, и/или гранулы полистирола.

В зависимости от грунтовых условий площадки применяют различные режимы бурения и материалы наполнителя.

Если грунт глинистый (сцепление более 1,0 кг/кв.см, М_упр>15 МПа), известным технологическим оборудованием для возведения грунтобетонных столбов по струйной технологии (джет граутинг) производят размыв грунта водовоздушной струей в проектном объеме. Размыв производят до доведения пульпы до расчетной плотности. При необходимости по мере загустевания могут дополнительно производить ее аэрацию струей воздуха высокого давления до достижения объемной массы менее 1,4 г/см³, М_упр<1,5 МПа.

Если грунт представлен песком (сцепление около нуля, М_упр>20 МПа), размыв производят твердеющим раствором, например цементным раствором с водоцементным отношением 0,7-1,0 и аэрацией до достижения объемной массы 1,0 г/см³, М_упр<2,0 МПа.

Если грунтовые условия представлены напластованием разнородных водонасыщенных грунтов (связных и несвязных, М_упр>25МПа), целесообразно выполнять размыв с помощью многотрубной буровой штанги 7, с введением в буровой раствор ПАВ или гидроактивный вспенивающийся материал, например полиуретановый реактив, или алюминиевую пудру с доведением пульпы до объемной массы 1,3 г/см³, М_упр<2,0 МПа.

Если по расчету виброизоляции требуется очень легкий и податливый материал в качестве наполнителя, дополнительно к аэрации в заполненную скважину вводят гранулы пенополистирола для получения объемной массы <1,0 г/см³, М_упр<1,5 МПа.

Пример.

Проектируется жилой дом; площадка строительства которого расположена вблизи линии метрополитена мелкого заложения. Грунтовые условия до глубины 30 м характеризуются залеганием аллювиальных отложений объемной массой 1,8-2,0 т/м³, средний модуль упругости более 20 МПа. Проведены измерения колебаний грунта на площадке. Параметры измерения сведены в таблицу. Наблюдается превышение допустимых уровней согласно МГСН 2.04-97 «Допустимые уровни шума, вибрации и требования к звукоизоляции в жилых и общественных зданиях».

При повышении жесткости грунта в 4 раза по известному способу может быть получен положительный эффект на всех частотах, однако снижения уровня колебаний в октавной полосе с центральной частотой 8 Гц - недостаточно для удовлетворения требований норм.

Использование предлагаемого способа позволило получить заполненные скважины с объемной массой 1,25 т/м³ и модулем упругости менее 2,0 МПа, что, в свою очередь, привело к понижению жесткости грунта в 4 раза (до М_упр<2,0 МПа). Получен значительный эффект на всех частотах. Удовлетворяются все требования норм.

Центральная частота октавы, Гц	Уровень виброскорости, дБ
Замеренный на грунте	Добавка вследствие повышения жесткости грунта в 4 раза (по прототипу)	После повышения жесткости грунта	Добавка вследствие понижения жесткости грунта в 4 раза (по предлагаемому изобретению)	После понижения жесткости грунта	Допускаемый по МГСН
(1)	(2)	(3)	(4)=(2)+(3)	(5)	(6)=(2)+(5)	(7)
2	75	-2,5	72,5	-3,4	71,6	73
4	70	-2,5	67,5	-3,4	66,6	68
8	67	-2,5	64,5	-3,4	63,6	64
16	66	-2,5	63,5	-3,4	62,6	64
31,5	66	-2,5	63,5	-3,2	62,8	64
63	65	-2,4	62,6	-2,7	62,3	64

Источники информации

1. Патент РФ № 2039862, кл. E02D 27/34, публ. 10.05.2000.

2. Патент РФ № 2298614, кл. E02D 27/34, публ. 10.05.2007, (прототип).

1. Устройство для защиты зданий и сооружений от вибрации, содержащее расположенный на пути распространения волн в грунте ряд вертикальных или наклонных скважин с наполнителем, отличающееся тем, что вертикальные или наклонные скважины пробурены посредством размыва грунта по струйной технологии и заполнены аэрированной водогрунтовой пульпой, полученной при бурении скважины, объемной массой менее 1,4 г/см³ и модулем упругости, равным 0,01-0,1 модуля упругости грунта.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что аэрированная водогрунтовая пульпа дополнительно содержит гидравлическое вяжущее, например цемент.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что аэрированная водогрунтовая пульпа дополнительно содержит поверхностно-активные вещества.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что аэрированная водогрунтовая пульпа содержит вспенивающееся вещество, например полиуретановый реактив.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что аэрированная водогрунтовая пульпа дополнительно содержит газообразующую добавку, например алюминиевую пудру.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что аэрированная водогрунтовая пульпа дополнительно содержит гранулы пенополистирола.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в скважине, заполненной пульпой, размещен железобетонный или металлический несущий элемент.

8. Способ возведения устройства для защиты зданий и сооружений от вибрации по п.1, включающий бурение в грунте ряда вертикальных или наклонных скважин на пути распространения волн от виброисточника к зданию, сооружению и заполнение их наполнителем, отличающийся тем, что бурение скважин осуществляют путем размыва и аэрации грунта водовоздушной струей до образования аэрированной водогрунтовой пульпы с объемной массой менее 1,4 г/см³, с последующей выдержкой до загустевания пульпы или затвердевания ее и достижения модуля упругости, равного 0,01-0,1 модуля упругости грунта.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что размыв грунта производят цементным раствором.

10. Способ по п.8, отличающийся тем, что при размыве грунта в аэрированную водогрунтовую пульпу добавляют газообразующую добавку или пенообразователь, или полиуретановую композицию, или гранулы пенополистирола.

11. Способ по п.8, отличающийся тем, что после образования аэрированной водогрунтовой пульпы в скважину помещают железобетонный или металлический несущий элемент с последующей выдержкой до загустевания или затвердевания пульпы.