RU2731234C1

RU2731234C1 - Method for preparation of base of structure on weak grounds

Info

Publication number: RU2731234C1
Application number: RU2020104437A
Authority: RU
Inventors: Александр Леонидович Невзоров; Алексей Михайлович Ширанов; Алексей Анатольевич Коршунов; Юрий Германович Хабаров
Priority date: 2020-01-31
Filing date: 2020-01-31
Publication date: 2020-08-31

Abstract

FIELD: construction.

SUBSTANCE: invention relates to construction and can be used in building foundations on weak soils and embankments of transport facilities. Method of preparing the foundation of the structure on weak soils involves excavating the excavation, filling the soil cushion with the layer-by-layer seal, laying the geoweb and fastening the ends of its panels to the anchoring elements. Before laying the geoweb in the center of the pad, a linear crossbar is placed, the soil is poured over the geoweb from the device of the loading prisms above its end sections, then the crossbar is lifted above the surface of the pillow, heating the geoweb to temperature providing occurrence in its material of heat shrinkage stresses, measuring the force required to hold the beam at a given height, after reaching the specified value of force, traverse is removed and soil is filled and compacted above geoweb between loading prisms.

EFFECT: technical result consists in improvement of efficiency of reinforcement of soil cushion, namely, improvement of its stability and reduction of settling of erected structure due to prestressing of reinforcing layers.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при возведении фундаментов зданий на слабых грунтах и насыпей транспортных сооружений.The invention relates to construction and can be used in the construction of foundations of buildings on soft soils and embankments of transport structures.

Известен способ создания искусственного основания фундаментов зданий, транспортных и других сооружений на слабых грунтах путем замены грунта, обладающего низкими деформационно-прочностными характеристиками, армированной песчаной подушкой (К.Д. Джоунс. Сооружения из армированного грунта. М., Стройиздат, 1989. – с. 11, рис. 2.18 – аналог). В качестве армирующего материала обычно используют полотнища геосинтетика, способного воспринимать растягивающие напряжения, в частности, георешетку, представляющую собой плоский геосинтетический материал со сквозными ячейками, противостоящий растяжению и служащий для усиления конструкции (ГОСТ Р 55028-2012. Материалы геосинтетические для дорожного строительства. Классификация, термины и определения. – М.: Стандартинформ, 2013. – с. 5). Георешётка может изготовляться путём экструзии разогретой массы и последующей перфорации полотна, а также склеиванием или термокреплением высокопрочных прядей.A known method of creating an artificial foundation for foundations of buildings, transport and other structures on soft soils by replacing soil with low deformation and strength characteristics, reinforced with a sand cushion (KD Jones. Reinforced soil structures. M., Stroyizdat, 1989. - p. . 11, Fig. 2.18 - analog). As a reinforcing material, geosynthetics panels are usually used, which are able to perceive tensile stresses, in particular, a geogrid, which is a flat geosynthetic material with through cells that resists stretching and serves to strengthen the structure (GOST R 55028-2012. Geosynthetic materials for road construction. Classification, terms and definitions. - M .: Standartinform, 2013. - p. 5). A geogrid can be manufactured by extrusion of a heated mass and subsequent perforation of the web, as well as by gluing or thermal bonding of high-strength strands.

Известно применение георешётки в грунтовой подушке, устраиваемой в основании фундаментов на слабых грунтах. При размещении георешетки в горизонтальной плоскости эффективность армирования существенно снижается из-за того, что армирующий материал включается в работу лишь при появлении в нем растягивающих напряжений, например, по мере развития прогиба, возникающего при осадке основания в местах действия максимальных напряжений от фундаментов (Ch. L. Helstrom, D. N. Hamphrey, J. M. Labbe. Performance and effectiveness of a thin pavement section using geogrids and drainage geocomposites in a cold region. NETCR60 NETC Project No. 00-8, August 2008, University of Maine, p.20, fig.2.1.; К.Д. Джоунс. Сооружения из армированного грунта. – М., Стройиздат, 1989. – c. 133-134).It is known to use a geogrid in a soil cushion, arranged at the base of foundations on soft soils. When the geogrid is placed in a horizontal plane, the effectiveness of the reinforcement is significantly reduced due to the fact that the reinforcing material is included in the work only when tensile stresses appear in it, for example, as the deflection develops, which occurs during the settlement of the base in the places where the maximum stresses from the foundations are applied (Ch. L. Helstrom, DN Hamphrey, JM Labbe. Performance and effectiveness of a thin pavement section using geogrids and drainage geocomposites in a cold region .NETCR60 NETC Project No. 00-8, August 2008, University of Maine, p.20, fig. 2.1 .; K.D. Jones. Reinforced Soil Structures. - M., Stroyizdat, 1989. - p. 133-134).

Указанный недостаток может частично или полностью устраняться за счёт предварительного, то есть до возведения фундаментов, напряжения армирующих слоёв.This disadvantage can be partially or completely eliminated due to the preliminary, that is, before the construction of the foundations, the stress of the reinforcing layers.

Известен способ подготовки основания здания на слабых грунтах, включающий отрывку котлована, отсыпку грунтовой подушки с послойным уплотнением, укладкой армирующих полотнищ и анкеровкой их концов с помощью жестких элементов, в котором предварительное напряжение армирующих слоев достигается благодаря тому, что уплотнение слоёв грунта подушки, подстилающих полотнища, на участках вне контура фундаментов производится до укладки полотнищ, а участков внутри контура фундаментов – одновременно с уплотнением слоёв, покрывающих полотнища (Патент РФ № 2674488, МПК Е02D 27/01, 2018 - аналог).There is a known method for preparing the base of a building on soft soils, including a fragment of a pit, filling a soil cushion with layer-by-layer compaction, laying reinforcing panels and anchoring their ends using rigid elements, in which the preliminary stress of the reinforcing layers is achieved due to the fact that the compaction of the soil layers of the pillow underlying the panels , in areas outside the contour of the foundations is carried out before laying the panels, and areas inside the contour of the foundations - simultaneously with the compaction of the layers covering the panels (RF Patent No. 2674488, IPC Е02D 27/01, 2018 - analogue).

Недостатком конструкции является большая трудоёмкость реализации способа предварительного напряжения армирующего материала, связанная с необходимостью поочередного уплотнения слоёв грунтовой подушки по участкам. Кроме того, при отсыпке грунта поверх армирующего полотнища на нем может формироваться волна, снижающая эффект предварительного напряжения (Ch. L. Helstrom, D. N. Hamphrey, J. M. Labbe. Performance and effectiveness of a thin pavement section using geogrids and drainage geocomposites in a cold region. NETCR60 NETC Project No. 00-8, August 2007, University of Maine, p. 73,
fig. 3.11).The disadvantage of the design is the high complexity of the implementation of the method of prestressing the reinforcing material, associated with the need to alternately compact the layers of the soil cushion in sections. In addition, when soil is poured over the reinforcing panel, a wave can form on it that reduces the effect of prestressing (Ch. L. Helstrom, DN Hamphrey, JM Labbe. Performance and effectiveness of a thin pavement section using geogrids and drainage geocomposites in a cold region. NETCR60 NETC Project No. 00-8, August 2007, University of Maine, p. 73,
fig. 3.11).

Известен способ подготовки основания здания на слабых грунтах, включающий отрывку котлована, отсыпку грунтовой подушки из несвязного грунта в пределах контура фундаментов, а на участках вне контуров фундаментов - из несвязного грунта с включениями набухающего материала, послойное уплотнение грунта подушки, укладку полотнищ армирующего материала и анкеровку их концов (Патент РФ № 2684558, МПК ЕО2D 27/26, 2018 – аналог). Набухание включений при увлажнении приводит к неравномерному подъему подушки, прогибу и предварительному напряжению полотнищ армирующего материала.There is a known method of preparing the base of a building on soft soils, including an excerpt of a pit, dumping a soil cushion from incoherent soil within the contour of the foundations, and in areas outside the contours of the foundations - from incoherent soil with inclusions of swelling material, layer-by-layer compaction of the soil of the cushion, laying sheets of reinforcing material and anchoring their ends (RF Patent No. 2684558, IPC EO2D 27/26, 2018 - analogue). Swelling of inclusions during moistening leads to uneven rise of the pillow, deflection and pre-stress of the panels of the reinforcing material.

Недостатком способа является увеличение продолжительности производства работ из-за технологического перерыва, необходимого для увлажнения и набухания грунта подушки.The disadvantage of this method is the increase in the duration of the work due to the technological break necessary for moistening and swelling of the soil of the pillow.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ подготовки основания цилиндрического резервуара на слабых неравномерно сжимаемых грунтах, включающий отрывку котлована, отсыпку и послойное уплотнение песчаной подушки, раскладку на каждом уплотняемом слое полотен армирующего материала и кольцевых жестких элементов, натяжение армирующих полотен и крепление их к кольцевым элементам (Патент РФ № 2308574, МПК Е02D 27/00, 2006 – прототип).Closest to the proposed invention is a method for preparing the base of a cylindrical tank on weak unevenly compressible soils, including a fragment of a pit, filling and layer-by-layer compaction of a sand cushion, laying out reinforcing material and annular rigid elements on each compacted layer, tension of reinforcing sheets and fastening them to annular elements (RF patent No. 2308574, IPC E02D 27/00, 2006 - prototype).

Недостатком прототипа является значительная трудоёмкость реализации способа, обусловленная необходимостью применения специальных приспособлений и механизмов для натяжения и крепления полотен армирующего материала. Кроме того, технически сложным является одновременное равномерное натяжение полотен во взаимно перпендикулярных направлениях, без которого из-за деформации кольцевых элементов эффект предварительного напряжения не будет достигаться.The disadvantage of the prototype is the significant complexity of the implementation of the method, due to the need to use special devices and mechanisms for tension and fastening of the fabrics of the reinforcing material. In addition, it is technically difficult to simultaneously uniform tension of the webs in mutually perpendicular directions, without which, due to the deformation of the annular elements, the effect of prestressing will not be achieved.

Задачей изобретения является повышение эффективности работы армированной грунтовой подушки за счёт предварительного напряжения армирующего материала, в качестве которого используется георешетка.The objective of the invention is to improve the efficiency of the reinforced soil cushion due to the prestressing of the reinforcing material, which is used as a geogrid.

В способе подготовки основания сооружения на слабых грунтах, включающем отрывку котлована, отсыпку грунтовой подушки с послойным уплотнением, укладку и крепление концов полотнищ георешетки к анкерующим элементам, перед укладкой георешетки в борозду, устроенную по оси подушки, укладывают линейную траверсу, а отсыпку грунта над георешеткой начинают с устройства пригрузочных призм над концевыми участками полотнищ, после чего траверсу и георешетку приподнимают над поверхностью подушки, нагревают георешетку до температуры, обеспечивающей появление в ее материале напряжений термоусадки, и измеряют усилие, необходимое для удержания траверсы на заданной высоте, после достижения заданного значения усилия траверсу извлекают и производят отсыпку и уплотнение грунта над георешеткой на оставшейся площади котлована.In the method of preparing the foundation of a structure on weak soils, including a fragment of a pit, filling a soil cushion with layer-by-layer compaction, laying and fixing the ends of the geogrid panels to the anchoring elements, before laying the geogrid into the groove arranged along the axis of the pillow, lay a linear traverse, and the soil is filled over the geogrid start with the device of loading prisms above the end sections of the panels, after which the traverse and geogrid are raised above the surface of the pillow, the geogrid is heated to a temperature that ensures the appearance of heat shrinkage stresses in its material, and the force required to hold the traverse at a given height is measured after reaching a given force value the traverse is removed and the soil is filled and compacted over the geogrid on the remaining area of the pit.

Предварительное напряжение полотнища армирующего материала на строительной площадке обеспечивается за счёт использования способности полимерного материала георёшетки к термоусадке. Как известно, свойства полимеров зависят от молекулярной массы, химического состава, строения и формы макромолекул, их ориентации и имевшей место релаксации напряжений при нагревании. Макромолекулы линейных полимеров в обычных условиях имеют конформацию клубка различной плотности. Нагревание в деформированном состоянии до температуры, превышающей температуру стеклования, приводит к пластификации полимеров. При этом изменяется конформация макромолекул, происходит «разворачивание» клубка - нитеобразные макромолекулы ориентируются в одном (у волокон) или двух (у пленок) направлениях, сближение и уплотнение макромолекулярных цепей. Если охлаждение производится под приложенной нагрузкой, то нитевидная конформация и пространственная ориентация макромолекул сохраняются. При повторном нагревании выше температуры стеклования макромолекулы такого полимера стремятся принять более выгодную по сравнению с вытянутой линейной конформацию (Р.С. Соколов Химическая технология: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений: В 2 т. – М.: Гуманит. изд. центр Владос, 2000. – Т. 2.: Металлургические процессы. Переработка химического топлива. Производство органических веществ и полимерных материалов. – 448 с.). Если последующее охлаждение проходит без приложения внешней нагрузки, то наблюдается термическая усадка, в результате которой размер волокна или пленки уменьшается на 30…80 %. Охлаждение материала с зафиксированными каким-либо образом концами приводит к появлению в нем напряжений усадки, в частности, у полипропилена эти напряжения составляют 2...4 МПа (В.А. Шкурин, Ф.А. Пладис, Г.Э. Сурмаев. Технические средства и оборудование для пакетирования продукции: Справочник. – М.: Машиностроение, 1987. –153 с.).The prestressing of the panel of the reinforcing material at the construction site is ensured by using the ability of the polymeric material of the geogrid to heat shrink. As is known, the properties of polymers depend on the molecular weight, chemical composition, structure and shape of macromolecules, their orientation, and the stress relaxation that took place upon heating. Under normal conditions, macromolecules of linear polymers have coil conformation of different density. Heating in a deformed state to a temperature exceeding the glass transition temperature leads to plasticization of polymers. This changes the conformation of macromolecules, "unrolling" of the coil occurs - filamentous macromolecules are oriented in one (for fibers) or two (for films) directions, the convergence and compaction of macromolecular chains. If cooling is performed under an applied load, the filamentous conformation and spatial orientation of macromolecules are retained. When reheating above the glass transition temperature, the macromolecules of such a polymer tend to take on a more advantageous in comparison with an elongated linear conformation (R.S. Sokolov Chemical technology: Textbook for students of higher educational institutions: 2 vol. - M .: Gumanit. ed. center Vlados, 2000. - T. 2: Metallurgical processes. Processing of chemical fuel. Production of organic substances and polymeric materials. - 448 p.). If the subsequent cooling takes place without the application of an external load, then thermal shrinkage is observed, as a result of which the size of the fiber or film decreases by 30 ... 80%. Cooling of a material with ends fixed in some way leads to the appearance of shrinkage stresses in it, in particular, in polypropylene, these stresses are 2 ... 4 MPa (V.A. Shkurin, F.A.Pladis, G.E.Surmaev. Technical means and equipment for packaging products: Handbook. - M .: Mashinostroenie, 1987. –153 p.).

Георешетку, обладающую способностью к термоусадке, изготовляют путем экструзии разогретой массы и перфорации полотна или склеиванием или термокреплением высокопрочных прядей с последующим вытягиванием полотна при температуре, обеспечивающей изменение конформации макромолекул.A geogrid capable of heat shrinkage is made by extrusion of a heated mass and perforation of the web, or by gluing or thermal bonding of high-strength strands, followed by stretching of the web at a temperature that ensures a change in the conformation of macromolecules.

Последовательность подготовки основания сооружения на слабых грунтах иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан поперечный разрез подушки после крепления георешетки к анкерующим элементам и отсыпки пригрузочных призм грунта над ее концевыми участками, на фиг. 2 – процесс нагревания георешетки, сопровождающийся измерением усилия, необходимого для удержания заведенной под нее траверсы на заданной высоте, на фиг. 3 – подушка после отсыпки и уплотнения слоя грунта над георешеткой.The sequence of preparation of the foundation of the structure on soft soils is illustrated by the drawings, where in Fig. 1 shows a cross-section of the pillow after attaching the geogrid to the anchoring elements and dumping the loading prisms of the soil over its end sections, FIG. 2 - the process of heating the geogrid, accompanied by the measurement of the force required to hold the traverse under it at a given height, FIG. 3 - pad after filling and compaction of the soil layer above the geogrid.

Способ осуществляют следующим образом.The method is carried out as follows.

После отрывки в массиве слабого грунта 1 котлована 2 отсыпают и уплотняют заданное число слоев несвязного грунта 3, как правило, песка или гравелистого грунта. В борозду 4, устроенную по оси подушки укладывают линейную траверсу 5 с подвеской по центру или по краям. На поверхность грунта путем раскатки рулонов укладывают георешетку 6. Концевые участки георешетки крепят к анкерующим элементам 7, например, оборачивая георешетку вокруг них. На расположенные у бортов котлована концевые участки георешетки и анкерующие элементы отсыпают и послойно уплотняют пригрузочные призмы грунта 8. Зацепив крюк подъемного механизма за подвеску, приподнимают траверсу 5 и георешетку 6 над поверхностью подушки и приступают к нагреву георешетки с помощью нагревательных устройств 9, например, горелок, строительных фенов, термовоздуходувок, инфракрасных излучателей, плоских нагревательных элементов и т.п. Подъем георешетки над поверхностью грунта обеспечивает ее равномерный прогрев, исключает потери тепла на нагревание и высушивание подстилающего грунта, а также обеспечивает возможность контроля преднапряжения, возникающего за счет термоусадки материала георешетки.After the fragments in the massif of soft soil 1, the foundation pit 2 is poured and compacted with a predetermined number of layers of non-cohesive soil 3, usually sand or gravelly soil. A linear traverse 5 with a suspension in the center or along the edges is placed in the groove 4 arranged along the axis of the pillow. The geogrid 6 is laid on the ground surface by rolling the rolls. The end sections of the geogrid are attached to the anchoring elements 7, for example, by wrapping the geogrid around them. The end sections of the geogrid and anchoring elements located at the sides of the excavation are poured and layer-by-layer compacted the loading prisms of soil 8. Having hooked the hook of the lifting mechanism to the suspension, the traverse 5 and the geogrid 6 are raised above the surface of the pillow and the geogrid is heated using heating devices 9, for example, burners , building hair dryers, thermal blowers, infrared emitters, flat heating elements, etc. The rise of the geogrid above the soil surface ensures its uniform heating, eliminates heat loss due to heating and drying of the underlying soil, and also provides the ability to control the prestress arising from the heat shrinkage of the geogrid material.

Контроль преднапряжения осуществляется по величине усилия F, необходимого для удержания траверсы на заданной высоте. Указанное усилие измеряется одним из известных устройств, например, датчиком, динамометром и др. Зная усилие F, величину подъема георешетки и ее длину, вычисляют усилие натяжения полотнища, возникающее за счет термоусадки материала при нагревании. Постепенно перемещая нагревательные устройства 9 вдоль полотнища с двух его сторон, добиваются заданного значения усилия натяжения георешетки, после чего траверсу освобождают и извлекают. Выполнив преднапряжение всех полотен георешетки на данной отметке, производят послойную отсыпку и уплотнение грунта в тело подушки до отметки, на которой следует разместить следующий слой армирующего материала.The prestress control is carried out according to the value of the force F required to keep the crosshead at a given height. The specified force is measured by one of the known devices, for example, a sensor, a dynamometer, etc. Knowing the force F , the amount of lift of the geogrid and its length, the tensile force of the panel is calculated, which occurs due to the heat shrinkage of the material when heated. Gradually moving the heating devices 9 along the panel from both sides, they achieve a given value of the geogrid tension force, after which the traverse is released and removed. Having completed the prestressing of all geogrid webs at this level, layer-by-layer filling and compaction of the soil into the pillow body up to the mark on which the next layer of reinforcing material should be placed.

Повторив необходимое число раз операции по отсыпке и уплотнению грунта, укладке георешетки, отсыпке пригрузочных призм, предварительному напряжению георешетки получают подушку заданной высоты и приступают к устройству фундаментов или насыпи транспортного сооружения.After repeating the required number of times the operations of filling and compacting the soil, laying the geogrid, filling the loading prisms, prestressing the geogrid, they receive a pillow of a given height and proceed to the construction of foundations or embankments of the transport structure.

Преднапряжение георешётки позволит увеличить эффективность армирования грунтовой подушки, а именно, повысить ее устойчивость и снизить осадку возводимого сооружения.The prestressing of the geogrid will increase the efficiency of the soil cushion reinforcement, namely, increase its stability and reduce the draft of the structure being erected.

Кроме устройства оснований, способ может применяться при возведении дамб в гидротехническом строительстве и земляного полотна железных и автомобильных дорог.In addition to the arrangement of the foundations, the method can be used for the construction of dams in hydraulic engineering and roadbed of railways and highways.

Claims

A method of preparing the base of a structure on soft soils, including a fragment of a pit, filling a soil cushion with layer-by-layer compaction, laying a geogrid and fixing the ends of its panels to anchoring elements, characterized in that a linear traverse is placed in the center of the cushion before laying the geogrid, the soil is poured over the geogrid with devices of loading prisms above its end sections, then the traverse is raised above the surface of the pillow, the geogrid is heated to a temperature that ensures the appearance of heat shrinkage stresses in its material, the force required to hold the traverse at a given height is measured, after reaching a given value of the force, the traverse is removed and backfilled and soil compaction over the geogrid between the loading prisms.