Термоструктурное основание на неустойчивых грунтах - RU2345191C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение имеет отношение к подготовке строительства сооружений на грунтах, такому как, например:

(A) подготовка грунтовых оснований для дорог, имеющих бетонное или асфальтовое дорожное покрытие, а также гравийное или другое дорожное покрытие;

(B) подготовка грунтовых оснований для взлетно-посадочных полос и предангарных площадок аэропортов, имеющих бетонное или асфальтовое покрытие;

(C) подготовка основания для укладки бетонных плит на грунтовом основании, подготовка основания для пешеходных дорожек, участков наружного складирования и т.п. или подготовка грунтовых оснований, на которых будут размещены любые свободностоящие здания, оборудование и т.п., вне зависимости от того, какой тип добавочных материалов (гравий, песок, глина и т.п.) будет введен в состав грунтового основания;

(D) подготовка основания и частичная засыпка для прокладки водопровода, ливневой канализации и сантехнических линий, а также нефтепроводов, газопроводов природного газа и трубопроводов нефтяных продуктов.

Обычно при строительстве дороги производят очистку местности, через которую будет пролегать дорога, снимают верхние слои грунта и производят предварительное профилирование дороги. Тип прокладываемой дороги может быть различным, однако в холодном климате часто помещают паровой барьер и твердую изоляцию на этапе предварительного профилирования, а затем доводят земляное полотно до его окончательного профиля за счет укладки и уплотнения материала в виде глины в соответствии с техническими требованиями, после чего наносят гравийное, асфальтовое или бетонное покрытие. Аналогичным образом подготовка основания для структур типа "плита на грунтовом основании" требует выемки грунта для удаления органики и подготовки грунтового основания, причем в зонах вечной мерзлоты и при наличии ледяных линз прокладывают жесткие листы материала Styrofoam™, чтобы создать тепловой барьер, при этом обычно материал парового барьера укладывают поверх материала Styrofoam™, после чего производят заливку покрытия из бетона.

Требования при строительстве взлетно-посадочной полосы или предангарной площадки аэропорта главным образом аналогичны требованиям при строительстве шоссейной дороги в том, что касается подготовки грунтового основания. Требования к прочности, допускам материалов, степени уплотнения материалов и т.п. в этом случае являются более строгими, однако в целом процесс строительства является аналогичным. При строительстве взлетно-посадочной полосы производят очистку местности, через которую будет пролегать взлетно-посадочная полоса, снимают верхние слои грунта и производят предварительное профилирование. Тип взлетно-посадочной полосы может быть различным, однако в холодном климате часто помещают паровой барьер и твердую изоляцию на этапе предварительного профилирования, а затем доводят земляное полотно до его окончательного профиля за счет укладки и уплотнения материала в виде глины в соответствии с техническими требованиями, после чего наносят гравийное, асфальтовое или бетонное покрытие.

Как при строительстве дорог, так и при строительстве взлетно-посадочных полос слой парового барьера (лист из полиэтилена) и жесткой (тепловой) изоляции (Styrofoam™) создают ряд проблем, таких как:

A) Обычно начальный уровень грунта является относительно ухабистым и неровным и может содержать камни, впадины и выступающие острые объекты. Это создает трудности в поддержании неразрывности парового барьера, если он образован первым, когда остальную часть земляного полотна укладывают поверх него. Паровой барьер может разрываться, причем в местах разрыва паровой барьер будет нарушен.

B) Листы материала Styrofoam™ обычно представляют собой куски размерами 4×8 футов, которые укладывают рядом друг с другом в шахматном порядке, но так как Styrofoam™ уложен кусками, то трещины (стыки) между кусками могут позволить влаге проникать сверху, а в тех местах, где имеются разрывы парового барьера, то и снизу. Любой разрыв мембраны позволяет проходить воде, а также позволяет передачу теплоты. Более того трещины и/или разрывы в Styrofoam™ могут улавливать воду и в зимние месяцы циклы замерзания-оттаивания могут усиливать движение и осадку грунтов над Styrofoam™.

C) Так как Styrofoam™ является жестким, а начальный уровень грунта дороги является неровным, то земляное полотно дороги и Styrofoam™ не сопрягаются друг с другом. Это может приводить к тому, что между ними остаются пустоты, и когда остальная часть земляного полотна будет уложена сверху на слой Styrofoam™, то увеличивается риск разрыва Styrofoam™. Более того любые пустоты под Styrofoam™ могут улавливать воду и (в зимние месяцы) циклы замерзания-оттаивания могут поэтому приводить к вспучиванию и к возможному дополнительному разрыву жесткого Styrofoam™.

D) Конструкционная прочность или целостность парового барьера и Styrofoam™ является низкой за счет того, что они состоят из отдельных кусков. Поэтому любая осадка грунтового основания ниже Styrofoam™ будет приводить к осадке на всем протяжении земляного полотна или грунтового основания, в том числе и на поверхностном покрытии.

На плите, уложенной на грунтовом основании, могут быть построены здания или другие сооружения, такие как склады, жилые дома, торговые и промышленные объекты или другие свободностоящие сооружения, которые устанавливают непосредственно на грунтовом основании, например, такие как кожух устья нефтяной скважины и другие защитные укрытия. Такие сооружения, как тротуары, автомобильные стоянки, патио и т.п., могут быть расположены на грунтах, которые могут оседать за счет наличия подземных мерзлых грунтов, таких как вечная мерзлота и ледяные линзы, а также на грунтах, которые лежат на болоте, органике и на грунтах с очень высокой степенью влажности. В каждом из таких сооружений недостаток прочности в строительном основании может приводить к конструктивному разрушению здания или другого сооружения.

Дополнительная проблема, которая в особенности связана с добычей нефти и газа в тех местах, где обычно имеется вечная мерзлота и ледяные линзы, заключается в том, что при добыче нефти выделяется природный газ. Природный газ поднимается вверх по буровой скважине и может накапливаться в защитном кожухе устья скважины, что создает источник повышенной опасности.

При обслуживании городского хозяйства в холодном климате часто помещают водопроводные трубы, трубы ливневой канализации и канализационные трубы в вырытую траншею, обертывают эти трубы изоляцией и затем засыпают траншею. Обычно траншея является достаточно широкой для того, чтобы облегчить рабочим процесс нанесения изоляции при помощи соответствующего оборудования. Если трубы лежат на грунтах, которые представляют собой вечную мерзлоту или в которых имеются ледяные линзы, то существует вероятность того, что инженерные коммуникации будут излучать достаточное количество теплоты для оттаивания вечной мерзлоты или ледяных линз, что будет приводить к образованию пустот под трубами и к возникновению реального риска провисания труб и их возможного разрыва. Аналогичная ситуация возникает в том случае, когда подземные газопроводы природного газа и подземные нефтепроводы пролегают в грунтах, которые представляют собой вечную мерзлоту или в которых имеются ледяные линзы.

Настоящее изобретение направлено на создание упрочненного вспененного основания, позволяющего содействовать укреплению грунтового основания и снизить до минимума разрушение грунтового основания, что позволит снизить до минимума осадку зданий и в особенности неравномерную осадку зданий или других сооружений, возведенных сверху на упрочненном вспененном основании.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предлагается способ строительства, который включает в себя операции укладки упрочняющего материала на грунт на стройплощадке и образования упрочненного основания за счет покрытия упрочняющего материала полимером, причем после отверждения полимер и упрочняющий материал образуют строительное основание.

В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предлагается способ строительства, который включает в себя операции образования упрочненного вспененного основания на неустойчивом грунте и сооружения постели на упрочненном вспененном основании, за счет чего упрочненное вспененное основание снижает до минимума относительную и неравномерную осадку.

В соответствии с другими аспектами настоящего изобретения строительное основание представляет собой основание дороги, взлетно-посадочной полосы или находится на буровой площадке, например, вокруг устья скважины. Стройплощадкой может быть траншея для инженерных сетей, причем полимер может окружать инженерную коммуникацию в траншее для инженерных сетей. Упрочняющий материал может иметь форму сетки. Предпочтительный полимер представляет собой двухкомпонентный гидрофобный расширяющийся полимер. Грунтом может быть неустойчивый грунт, например, выбранный из группы, в которую входят вечная мерзлота, грунты с ледяными линзами, болото, грунт с органикой и водонасыщенные грунты. Упрочняющий материал может быть выбран из группы, в которую входят прутки, веревка, тесьма, арматурная сетка, сетчатый материал, геотекстильный материал или другие размерные формы, которые укладывают продольно или в виде решетки.

Различные применения способа строительства включают в себя строительство дороги, взлетно-посадочной полосы, предангарных площадок аэропортов, установку строительной плиты на грунтовом основании или сооружения на грунтовом основании, строительство пешеходных дорожек, участка складирования, зоны парковки, плотины и траншеи для инженерных сетей.

Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, данного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых аналогичные элементы имеют одинаковые позиционные обозначения.

На фиг.1 показано сечение упрочненного основания, предназначенного для использования при строительстве дорог, взлетно-посадочных полос и при укладке плит на грунтовом основании в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.2 показано сечение упрочненного основания, предназначенного для использования в сооружении на грунтовом основании в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.3 показано сечение траншеи для инженерных сетей в соответствии с настоящим изобретением.

Упрочненное вспененное основание используют в качестве основания при строительстве новых гравийных дорог или дорог с асфальтовым или бетонным дорожным покрытием; при прокладке подземных инженерных коммуникаций (водопровода, ливневой канализации и сантехнических линий); при строительстве взлетно-посадочных полос и предангарных площадок аэропортов; при укладке любых конструкций типа "бетонная плита на грунте", таких как строительные подушки, пешеходные дорожки и т.п.; при укладке любого основания, на котором может быть возведена или установлена свободностоящая конструкция, вне зависимости от того, какое покрытие или заполнение (такое как гравий, песок и т.п.) помещено на упрочненном вспененном основании; и при строительстве "оболочки" или дамбы для содержащих жидкость зон.

Упрочненное вспененное основание предназначено для того, чтобы предотвращать или снижать до минимума резкую и/или существенную относительную осадку покрытий основания и поверхностных покрытий, которые могут быть бетонными, асфальтовыми, гравийными или состоящими из других покровных материалов. Упрочненное вспененное основание защищает от обрушения в матрицах постели под упрочненным вспененным основанием, возникающего за счет низких характеристик грунтов постели, которыми может быть вечная мерзлота, грунты с ледяными линзами, болото, грунт с органикой и т.п. Кроме того, непроницаемая природа упрочненного вспененного основания создает отличный паронепроницаемый слой, а также является барьером для таких газов, как природный газ, метан, бутан, пропан и т.п.

В соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения после того, как земляные работы на стройплощадке произведены и/или доведены до предварительного уровня грунта, упрочняющий материал, обычно синтетический материал, укладывают поверх грунта на стройплощадке. Упрочненное основание образуют за счет покрытия упрочняющего материала полимером. После отверждения полимер и упрочняющий материал образуют сплошное термоструктурное основание. Упрочняющий материал может быть выбран из группы, в которую входят прутки, веревка, тесьма, арматурная сетка, сетчатый материал, геотекстильный материал или другие размерные формы, которые укладывают продольно в виде решетки или другой подходящей схемы расположения. Упрочняющий материал может быть уложен в один или множество слоев, связанных или не связанных. Полимер преимущественно наносят на месте нахождения за счет напыления компонентов полимера на упрочняющий материал. Упрочняющим материалом может быть нейлон, полипропилен, стекловолокно, а также другие синтетические или не синтетические материалы или же комбинации этих материалов.

Полимер преимущественно представляет собой имеющий высокую плотность, двухкомпонентный, гидрофобный и изоляционный расширяющийся полимер с закрытыми порами, такой как полиуретановая система, которую напыляют поверх упрочняющего материала до заданной толщины, чтобы создать сплошное термоструктурное основание. Конкретные используемые вспененные системы специально проектируют таким образом, чтобы они отвечали специфическим требованиям для конкретных применений, которые относятся к изоляционным характеристикам, прочности на растяжение, прочности на сжатие, прочности на сдвиг и прочности на изгиб, а также другим структурным характеристикам, чтобы можно было применять упрочненное вспененное основание для любого данного проекта. В таких случаях можно также использовать и другие вспененные материалы, имеющие аналогичные свойства.

Упрочненное вспененное основание образует термоструктурное основание, которое шунтирует любой поток и будущие слабые зоны в грунтах под основанием. Упрочненное вспененное основание также создает барьер для любой воды, водяного пара и газов, которые просачиваются через грунты под основанием. Если грунты под упрочненным вспененным основанием разрушаются и/или оседают со временем, то упрочненное вспененное основание обеспечивает опору для сооружения, возведенного поверх упрочненного вспененного основания, такого как здание, дорога или инженерная коммуникация.

На фиг.1 показано упрочненное вспененное основание 16, предназначенное для использования при строительстве дорожного полотна, взлетно-посадочных полос, предангарных площадок аэропортов, пешеходных дорожек, при установке строительных плит на грунтовом основании и т.п. Упрочненное вспененное основание 16 содержит структуру из множества упрочняющих компонентов 11, которые полностью заключены и встроены в заданную толщину расширяющегося полимера 12. Упрочняющие компоненты 11 ориентированы только продольно, если обеспечиваются требования к несущей способности, однако при повышении требований к несущей способности упрочняющие компоненты могут быть установлены в виде решетки или же в структуру могут быть введены предварительно изготовленные пряди. Упрочненное вспененное основание устанавливают непосредственно на природных грунтах 13, которые срезают до их желательного уровня. Проектное земляное полотно из уплотненного гранулированного материала, глины или другого подходящего материала 14 укладывают поверх упрочненного вспененного основания 16. Поверх земляного полотна укладывают проектное покрытие 15, такое как бетонное дорожное покрытие, асфальтовое дорожное покрытие или уплотненный гравий. В случае строительных плит на грунтовом основании уплотненную гранулированную засыпку помещают поверх упрочненного вспененного основания 16 и в завершение наносят верхний слой бетона.

На фиг.2 показано упрочненное вспененное основание, предназначенное для использования при возведении свободностоящего здания на грунте с гранулированным основанием. Упрочненное вспененное основание 25 содержит комплексную структуру из множества упрочняющих компонентов 21, которые полностью заключены и встроены в заданную толщину расширяющегося полимера 22. Упрочняющие компоненты 21 ориентированы только продольно, если обеспечиваются требования к несущей способности, однако при повышении требований к несущей способности упрочняющие компоненты могут быть установлены в виде решетки или же в структуру могут быть введены предварительно изготовленные пряди. Упрочненное вспененное основание устанавливают непосредственно на природных грунтах 23, которые срезают до их желательного уровня. Слой гранулированного материала 24 или другого подходящего материала может быть уложен поверх упрочненного вспененного основания 25.

На фиг.3 показано упрочненное вспененное основание 34, предназначенное для использования при строительстве и установке инженерной коммуникации или трубопровода 31 в объеме природных грунтов 35. Упрочненное вспененное основание 34 уложено в траншее 32, ширина которой соответствует диаметру устанавливаемого трубопровода и степени требующейся изоляции, чтобы обеспечить заданную тепловую защиту. Упрочненное вспененное основание содержит комплексную структуру из множества упрочняющих компонентов 33, лежащих на дне траншеи, которые после нанесения полимерной вспененной системы становятся полностью заключенными и встроенными в заданную толщину расширяющегося полимера и образуют упрочненное вспененное основание 34. Упрочняющие компоненты 33 ориентированы продольно, параллельно линии траншеи. Предварительно изготовленные основания 36 для трубопровода, каждое из которых, например, представляет собой свободностоящий пьедестал, изготовленный из такого же полимера, что и упрочненное вспененное основание, установлены на дне траншеи. Трубопровод 31, который соединяют из секций, расположенных на одном уровне, опускают в траншею и устанавливают на предварительно образованных полимерных основаниях 36 для трубопровода. Затем полимер 34 вводят в траншею, чтобы герметизировать трубопровод 31 и основания 36 для трубопровода. Траншею над трубопроводом 31 заполняют полимером на глубину, обеспечивающую расчетное R-значение, которое требуется для изоляции трубопровода 31. Остальной объем траншеи затем засыпают при помощи проектной засыпки 37 и утрамбовывают.

В случае строительства дороги упрочняющий материал наносят сплошным слоем по всей ширине и длине дороги или поверх известных слабых областей, которые пересекает дорога. Упрочняющий материал, который заключен в полимер высокой плотности, обеспечивает шунтирование поверх слабой области или слабых областей. Обычно допускается оседание дорог, если оно происходит равномерно по всей длине и ширине. Однако неприемлемо, чтобы на дорогах образовывались рытвины или имелась неравномерная осадка, что приводит к необходимости постоянного проведения ремонта дорожного полотна. В случае подземных коммуникаций упрочненное вспененное основание гарантирует, что при любой осадке грунта собственно под инженерной линией, она будет защищена от осадки. Упрочненное вспененное основание под инженерной линией шунтирует осадку, в результате чего снижаются изгибающие силы, приложенные к трубопроводу канализации, которые могли бы привести к его разрыву.

Имеющий высокую плотность двухкомпонентный, гидрофобный расширяющийся полимер наносят до заданной толщины, обеспечивающей заданные проектные тепловые барьерные характеристики. Полимер образует сплошную массу, герметизирующую упрочняющий материал, в результате чего образуется легкая упрочненная структурная масса, позволяющая крепить и шунтировать области земляного полотна, которые обладают слабостью за счет наличия вечной мерзлоты, грунта с ледяными линзами, болота, грунта с органикой или водонасыщенных грунтов. Так как масса является сплошной, в ней нет разрывов и поэтому образуется сплошной твердый паровой барьер. Более того, так как материал при его нанесении находится в жидком виде, то заполняются все выемки и калсулируются все выступы в земляном полотне, так что исключены причины для снижения конструктивной целостности упрочненного вспененного основания.

Тепловой барьер для предотвращения проникновения теплоты в такие грунты, в которых имеется вечная мерзлота или ледяные линзы, обеспечивается за счет соответствующих требований к изоляционным характеристикам материала. Например, полимер может иметь R-значение изоляции порядка R5-R5.5 на дюйм толщины материала. Полимер напыляют поверх упрочняющих прядей или сетки и вокруг них, а в случае инженерных линий вокруг собственно трубы канализации на заданную толщину вдоль всей трубы, чтобы обеспечить требуемые тепловые значения. Другой положительный эффект, достигаемый за счет нанесения расширяющегося полимера поверх трубы, заключается в том, что все небольшие отверстия в трубных соединениях будут герметизированы расширяющимся полимером, что снижает риск утечки.

Фактор перегрузки за счет применения предложенного способа обработки грунтового основания является минимальным. В зависимости от плотности использованного полимера вес материала составляет всего 180-225 фунтов на кубический метр. Более того, так как материал имеет закрытые поры, то просачивание воды исключено и поэтому циклы замерзания/оттаивания не воздействуют на упрочненное вспененное основание.

Упрочненное вспененное основание действует как паровой барьер, а также как барьер против просачивания тяжелых газов, таких как метан, бутан, пропан и природный газ через упрочненное вспененное основание.

Упрочненное вспененное основание может быть использовано в тех случаях, когда непрактично вынимать грунт и производить засыпку вынутым грунтом когда природные грунты являются неустойчивыми за счет наличия вечной мерзлоты, грунта с ледяными линзами, болота, грунта с органикой или водонасыщенных грунтов, а также за счет других условий, способствующих образованию пустот в грунтовом основании и/или осадке грунтового основания и когда имеется опасность проникновения воды, пара и/или газов через грунтовое основание.

Несмотря на то, что был описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят за рамки формулы изобретения.

Реферат

Изобретение относится к подготовке строительства сооружений на неустойчивых грунтах. Технический результат - создание упрочненного вспененного основания, позволяющего содействовать укреплению грунтового основания и снизить до минимума разрушение грунтового основания, что позволит снизить до минимума осадку зданий, возведенных сверху на упрочненном вспененном основании. Способ строительства в условиях неустойчивого грунта включает в себя следующие операции: укладка на грунт на стройплощадке упрочняющего материала, выбранного из группы, в которую входят прутки, веревка, тесьма, арматурная сетка, сетчатый материал, геотекстильный материал, уложенные продольно или в виде решетки; покрытие упрочняющего материала полимером в жидкой форме, представляющим собой двухкомпонентный гидрофобный расширяющийся полимер; отверждение полимера; при этом полимер и упрочняющий материал после отверждения образуют упрочненное строительное основание, которое перекрывает слабые зоны грунта. Так описан вариант способа строительства и конструкции, построенных вышеописанным способом. 6 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула