CC BY
31Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Подземное строительство
УДК 624.131
С.Г. БОГОВ, инженер
ООО «ИСП Геореконструкция» (190005, Санкт-Петербург, Измайловский пр., 4., оф. 414)
Адаптация струйной технологии для целей освоения подземного пространства в исторической части Санкт-Петербурга в условиях слабых грунтов
Приведены данные по адаптации струйной технологии в Санкт-Петербурге. Для решения геотехнических задач по освоению подземного пространства в сложных геологических и гидрогеологических условиях строительства необходимы натурные исследования, выполненные непосредственно на участке строительства, результаты которых приводятся для площадки в центральной части Петербурга. Для успешного и оптимального выбора параметров струйной цементации в слабых глинистых грунтах необходимо учитывать большое число параметров, рассмотренных в статье.
Ключевые слова: струйная технология, закрепление слабых пылеватых водонасыщенных грунтов, противофильтрацион-ная завеса, нижнее распорное крепление ограждения котлована.
S.G. BOGOV, engineer,
JSC "ISP Georekonstruktion" (4 Izmaylovsky Ave. office 414, 190005 Saint-Petersburg, Russian Federation)
Adaptation of jetting technology for development of underground space in the historical part of Saint-Petersburg
under conditions of weak soils
Data on the adaptation of the jetting technology in Saint-Petersburg are presented. To solve the geotechnical problems connected with the development of underground space under complex geological and hydro-geological conditions of construction, the field investigation conducted directly on the construction site, results of which are given for the site in the central part of Saint-Petersburg, are necessary. For successful and optimal choice of parameters of cement jet grouting in weak clay soils it is necessary to take into account a large number of parameters considered in the articles.
Keywords: jetting grouting, consolidation of weak floury water-saturated soils, anti-filtration curtain, lower spacer propping of excavation shoring.
При строительстве зданий в условиях существующей застройки дополнительная осадка Sad u регламентируется требованиями нормативных документов СП 22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*» и региональными нормами -ТСН 50-302-2004 «Проектирование фундаментов зданий и сооружений в Санкт-Петербурге». Величина этой осадки не должна превысить предельных величин. Рассчитать технологическую осадку сложно, но имея опыт, набор геотехнических решений, проводя геодезические наблюдения, можно оказывать влияние на развитие ситуации на объекте, не допуская превышений предельных значений.
Сложные инженерно-геологические условия Санкт-Петербурга и высокий уровень подземных вод, при котором естественный водоупор находится на значительных глубинах, делают устройство котлованов крайне дорогостоящими; выполнение водопонижения может негативно влиять на сохраняемые здания. С целью создания искусственного водоупора в последние годы успешно применяется технология струйной цементации грунтов jet grouting. Эта технология позволяет создать надежный слой закрепленного грунта с заглублением в него сравнительно короткого шпунтового ограждения. Комплексное использование струйной технологии позволяет исключить развитие сверхнормативных деформаций стен примыкающих зданий путем ограничения перемещений ограждения котлованов ниже дна котлована и усиления грунтов в основаниях фундаментов зданий [1].
32014 ^^^^^^^^^^^^^
Струйная технология закрепления грунтов - это процесс одновременного размыва и перемешивания исходных грунтов площадки цементными растворами. Закрепление
1 - струя воды в воздухе (Pm=200 кг/см2)
2 - струя воды с воздушной струей в водной среде (Pm=200 кг/см2)
3 - струя воды в водной среде (Pm=200 кг/см2)
4 - струя воды в водной среде (Pm=100 кг/см2)
Рис. 1. График снижения осевого давления струи в водной и воздушной средах (Yahiro T., Yoshida H. Induction grouting method utilizing high speed water jet /Proceedings of the 8th international conference on soil mechanics and foundation engineering, M.: 1973, p. 402-404)
25
Подземное строительство
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
Таблица 1
Адаптация и апробация струйной технологии в условиях слабых водонасыщенных грунтов
Задачи при реконструкции зданий Задачи при реконструкции глубоких инженерных сетей Задачи при новом строительстве (котлованы), усиление соседних зданий
Усиление существующих фундаментов при надстройке, углублении и устройстве подвалов Закрепление слабого (фильтрующего) слоя грунта, ПФЗ горизонтальная в основании траншеи с «коротким» шпунтом Закрепление слабого (фильтрующего) слоя грунта, ПФЗ горизонтальная (нижнее распорное крепление) в основании котлована с «коротким» шпунтом и/или вертикальная завеса
Апробация и адаптация струйной технологии в грунтовых условиях площадок
Опытные работы, разработка и доработка отечественного оборудования, исследование свойств закрепляющих цементных растворов, цементогрунта. Работы с использованием импортного специализированного оборудования. Накопление банка архивных данных
Водонасыщенные песчаные (пылеватые) Слабые глинистые и пылевато-глинистые, водонасыщенные
Конструкции, создаваемые в грунте
Сваи с полностью размытой боковой поверхностью, сваи с отдельными уширениями ствола по высоте Цементогрунтовые наклонные и вертикальные отдельные столбы Вертикальные секущиеся цементогрунтовые элементы (плоские и цилиндрические)
Элементы контроля качества
Кавернометрия, вскрытие и визуальный осмотр и прямые измерения, отбор образцов размывающего раствора, изливов, кернов из конструкции, испытание статической вдавливающей нагрузкой свай и столбов
Отдельные контрольные параметры Однокомпонентная технология Двухкомпонентная технология
Давление раствора, МПа 10 20-35 35-45
Расход раствора, л/с 140 120 120
Диаметр столба, м 0,6-0,8 0,8-1,2
Время набора прочности, сут. Песчаные грунты - 30 Глинистые грунты 45-100
Прочность, МПа 12-18 7-10 (15)
Модуль деформации, МПа 2000 и более 900-1000
Возможные деформации Подъемы, осадки, просадки из-за подмыва
Требования для минимизации технологической осадки Sad u Геодезический мониторинг, геотехническое сопровождение, соблюдение технологического регламента ведения работ (обеспечение излива из затрубного пространства, выдержка времени между соседними скважинами и между изготовлением и вскрытием котлована / нагружением основания), опытные работы
струей - это «скрытый» процесс, при котором необходимо
одновременное решение целого комплекса задач:
- из области строительных материалов (влияние свойств исходных грунтов на прочность и деформативность це-ментогрунта, время набора прочности и др.);
- гидравлики размыва (рис. 1, 2) пород и транспортирования частиц грунта на поверхность;
- инженерной геологии и бурения (гранулометрический состав, содержание глинистых частиц, органики и др.); механики грунтов; оснований и фундаментов.
При этом необходимо оценивать и следующие обстоятельства:
- возможность закрепления данного слоя грунта и получения нового материала с необходимыми проектными свойствами;
- изменение прочностных свойств цементогрунта по глубине при слоистости напластований;
- риски подъема грунта из-за гидроразрывов, просадки фундаментов из-за подмыва и перегрузки оснований.
I
fflfi Vo
т
т
Песчаный грунт
О О ф О « f t
VkI J I 1 1 ■ ■
Глинистый грунт Vot I t 1 ' 1 1 1
Цементогрунтовая смесь
Рис. 2. Схема для учета гидравлики бурения, размыва грунтов и транспортирования на поверхность
Очевидно, что диаметр зоны закрепления зависит от давления и затухания струи в среде, а также от расхода жидкости и если скорость восходящего потока смеси в затрубном пространстве будет ниже скорости осаждения частиц некоего размера D, то при этом весь объем частиц грунта большего диаметра останется в теле цементогрунта в качестве инертного заполнителя. При размыве грунтов цементными растворами необходимо учитывать их неньютоновское поведение.
В том случае, если при размыве плотность изливающегося раствора близка к плотности исходного цементного раствора, в скважине можно ожидать явления клакажа, роста давления на стенке скважины и гидроразрыва пласта, а проведение закрепления заданного массива может и не состояться.
Необходимо учитывать кинетику набора прочности це-ментогрунтовым материалом в присутствии большого количества глинистых частиц и большого значения в формируемом композитном материале водотвердого отношения.
Устройство нижней распорки ограждения котлована. Техническое решение по созданию искусственного слоя грунта и короткого шпунта в качестве шпунтового ограждения и адаптация струйной технологии проводились в 2013 г. на объекте, расположенном в центральной исторической селитебной части Санкт-Петербурга.
На участке строительства производится реконструкция здания под многоквартирный дом с подземным трехуровневым гаражом. Работы включают в себя закрепление грунтового массива на глубинах от 11 до 9 м между наружным и внутренними контурами короткого шпунтового ограждения котлована. С целью создания нижней распорки шпунта и противофильтрационной завесы (ПФЗ) было выполнено закрепление слабых пылевато-глинистых текучих грунтов (ИГЭ 4, ИГЭ 5). Закрепление двухметрового массива грунта создается из вертикальных цементогрунтовых столбов 01,2 м по двухкомпонентной технологии. Создан-
Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Подземное строительство
Таблица 2
Физико-механические характеристики грунтов
Стратиграфический индекс со и Номенклатура грунта Природная влажность, We Показатель текучести, Il Коэффициент пористости, e Плотность, р г/см3 Угол внутреннего трения, ф Удельное сцепление, с, МПа Модуль общей деформации, Е, МПа
ч 1 Насыпной грунт Расчетное сопротивление R0 = 0,1 МПа
2 Пески пылеватые, с примесью растительного детрита, насыщенные водой, средней плотности 0,3 - 0,79 1,92 25 0,001 10
m,'iv 3 Супеси пылеватые с примесью органических веществ, прослои слабозаторфованные, пластичные 0,57 0,68 1,4535 1,67 19 0,011 4,5
4 Супеси пылеватые, с прослоями песка, текучие 0,28 1,5 0,757 1,96 21 0,009 6,5
< 5 Суглинки тяжелые пылеватые, ленточные с прослоями песка, текучие 0,39 1,31 1,096 1,84 12 0,02 5,5
6 Пески средней крупности, насыщенные водой, средней плотности - - 0,65 2,01 35 0,001 30
«f. 7 Супеси пылеватые, с гравием, галькой, линзами песка, пластичные 0,15 0,8 0,414 2,19 24 0,017 7
8 Суглинки легкие пылеватые с гравием и галькой, тугопластичные 0,19 0,33 0,543 2,1 23 0,026 14
9 Суглинки легкие пылеватые с гравием и галькой и валунами, полутвердые 0,18 0,11 0,511 2,12 25 0,04 21
'9Г 10 Суглинки легкие пылеватые, слоистые, текучепластичные 0,31 1 0,838 1,93 20 0,019 10
«с 11 Суглинки легкие пылеватые, с гравием, галькой, полутвердые 0,18 0 0,516 2,11 26 0,031 23,5
ный искусственный материал jet grouting в возрасте 45 сут должен обладать следующими характеристиками: модуль деформации закрепленного сплошного массива грунта не менее 1000 МПа; прочность на одноосное сжатие не менее 45 МПа. После погружения шпунта работы по устройству нижнего распорного крепления шпунта в грунте начались с устройства опытной площадки. По результатам опытных работ по закреплению через 45 сут достигнуты следующие результаты: плотность материала 1680 кг/м3; среднее значение призменной прочности превышало 10 МПа, а средний модуль деформации составлял порядка 1000 МПа.
Откопка грунта в котловане началась только после получения результатов испытаний образцов закрепленного 4 грунта через 45 дней после закреп- 2 ления грунтового массива. о
Инженерно-геологические уело- -2 вия площадки. В геоморфологиче- .4 ском отношении рассматриваемый -6 участок расположен в пределах При- -8 невской низины с абсолютными от- -ю метками 3,65-4,33 м. В геологическом -12 отношении площадка представлена -14 послеледниковыми (озерно-морскими), -16 озерно-ледниковыми и ледниковыми -18 отложениями четвертичного страти- -20 графического комплекса, залегаю- -22 щими на коренных верхнекотлинских -24 глинах венда, и перекрытых с поверх- -26 ности слоем насыпных грунтов мощ- -28 ностью до 8 м. Техногенные отложения -30 tg|v представлены в основном песками -32 мелкими серо-коричневого и черного -34 цветов и супесями гумусированными, -36 перелопаченными со строительным -38 мусором. Ниже залегают послелед- -40 никовые (озерно-морские отложения
т,1|у), их мощность на площадке может составлять 8,7 м. Озерно-морские грунты представлены песками пылева-тыми, насыщенными водой средней плотности, супесями пылеватыми с примесью органических веществ, прослоями слабозаторфованными и супесями пылеватыми текучими до 10,8 м. Озерно-ледниковые отложения, 1дЬи представлены суглинками тяжелыми пылеватыми, ленточными, серовато-коричневыми, текучими. Спорадически в лужских моренных супесях встречены пески средней крупности с гравием, галькой и валунами, содержащие напорную воду. В разрезе моренной толщи доминируют суглинки пылева-
Рис. 3. Инженерно-геологический разрез с элементами фундаментов нового здания
Подземное строительство
Ц M .1
Научно-технический и производственный журнал
И-3 П2 : •
И-2
П3
а
И-4
П4 И-6
Рис. 4. План котлована и инклинометрических скважин
тые, серые полутвердые. Кровля слоя отмечена на глубинах 15,2-23,3 м, что соответствует абсолютным отметкам минус 11,55-19,55 м. В среднем мощность слоя составляет 8 м. К подошве ледниковых отложений приурочена кровля озерно-ледниковых отложений московского горизонта ¡д™, представленных суглинками легкими пылеватыми, слоистыми,
Горизонтальные перемещения, мм -20 -10 I 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140
Уровень верхней распорной конструкции
Уровень плиты перекрытия
Уровень нижней распорной конструкции
Уровень фундаментной плиты
20
Рис. 5. Горизонтальные перемещения массива грунта в котлован по инклинометрам
серовато-голубыми, текучепластичными. Распространены озерно-ледниковые отложения до глубины 27,8-34,8 м, на абсолютных отметках минус 23,98 - минус 30,63 м. Уровень грунтовых вод отмечен на глубине 1,6-2,5 м, что соответствует абсолютным отметкам 1,45-2,37 м БСВ.
В процессе ведения работ нулевого цикла параллельно с закреплением грунтов на площадке выполнялись буро-набивные сваи. Сваи изготавливались под защитой обсадных труб. Устройство свай рядом с жилым дореволюционным зданием, примыкающим к строительной площадке, вызывало рост осадок фундаментов. Данное существующее шестиэтажное кирпичное здание с подвалом и чердаком выполнено по стеновой конструктивной схеме с продольными и поперечными несущими стенами и относится ко 2-й категории по техническому состоянию конструкций. Фундаменты здания ленточные бутовые, глубина заложения порядка 3 м от уровня дневной поверхности, ширина подошвы 1-1,26 м. Грунтами основания являлись пески пылеватые средней плотности по результатам зондирования.
Устройство каждой сваи нового здания в пределах 2530 м от сохраняемого здания вызывало прирост осадки фундаментов. Суммарные осадки стен зданий приближались к нормируемым значениям еще до вскрытия котлована. Данные обстоятельства привели к необходимости разработки компенсационных мероприятий для снижения негативного воздействия от устройства свай. При устройстве элементов ПФЗ со стороны короткого шпунта у фундаментов данного здания отмечались подъемы геодезических марок. Были разработаны и реализованы меры, включающие закрепление слабых грунтов в основании фундаментов здания. До устройства буронабивных свай производилось закрепление слабых тиксотропных грунтов по оси будущих свай для минимизации негативных последствий от перебора грунта из обсадной трубы при бурении скважины. Таким образом, фундаменты соседнего здания были приподняты минимум на 20 мм.
Для надежного определения прочности и модуля деформации создаваемого цементогрунта крайне важным является способ отбора кернов из готового массива. Отбор керна из закрепленного цементогрунта и выбуривание керна из бетона или грунта существенно отличаются. При вскрытии котлована отмечалось, что температура разрабатываемого грунта при температуре окружающего воздуха +1оС местами составляла свыше +18оС. Проведенные измерения влажности и показателя текучести глинистых грунтов показали их значительное снижение. Это снижение не было равномерным и изменялось в различных образцах. Известно, что при температуре окружающей среды, близкой к 0оС, а в грунтах она составляет порядка 5оС, процесс гидратации и схватывания цемента замедляется в 10 раз и может продлиться свыше 20 ч с момента смешивания. Следующий процесс, наступающий после схватывания цемента, - это процесс твердения, который при наличии большого количества глинистых частиц в цементогрунтовом материале отличен от бетонов и развивается длительное время.
Показателем качества выполненных работ по струйной технологии является отсутствие деформаций массива грунта в зоне, созданной ниже дна котлована распорки, - ПФЗ. По результатам инклинометрических измерений при вскрытии котлована очевидно, что перемещения шпунта в зоне слоя закрепления грунтов по технологии jet grouting не происходили (рис. 5). Для исключения нарушения сплошности закрепленного массива при разработке грунта в котловане
Научно-технический и производственный журнал
Подземное строительство
отметка верха закрепляемого массива должна быть ниже отметки вскрытия дна котлована минимум на диаметр создаваемой цементогрунтовой распорки. Заключение
1. Технология струйного закрепления позволяет производить надежное усиление фундаментов и грунтов оснований зданий в сложных геологических и стесненных условиях городских строительных площадок.
2. Проведенная адаптация технологии к грунтовым условиям Санкт-Петербурга позволяет рекомендовать ее и для реализации вскрытия глубоких котлованов (траншей), в том числе вблизи зданий в условиях водонасы-щенных пылевато-глинистых грунтов, применяя короткий шпунт. Использование струйной технологии закрепления слабых грунтов позволяет минимизировать технологические осадки путем создания надежного закрепления грунтов.
Список литературы
1. Богов С.Г., Зуев С.С. Опыт применения струйной технологии для закрепления слабых грунтов при реконструкции здания по ул. Почтамтская в Санкт-Петербурге // Актуальные вопросы геотехники при решении сложных задач нового строительства и реконструкции: Сб. трудов научно-технической конференции. СПб.: СПбГАСУ, 2010. С. 80-86.
2. Богов С.Г. Применение цементных растворов для струйной технологии закрепления грунтов с учетом их реологических свойств // Гидротехника. 2013. № 4. С. 84-86.
Важными вопросами для определения начала вскрытия котлованов является время набора прочности закрепленного грунта и методика отбора образцов, их размера, а также условий хранения. Использование специальных химических добавок и получение достоверных данных о наборе прочности и деформационных свойствах цементогрунта позволяют принимать решения, исключающие риски развития сверхнормативных деформаций соседних зданий и коммуникаций. Комплекс мер, включающий геотехнический мониторинг и сопровождение, положительный опыт применения технологии на объектах-аналогах, соблюдение технологических регламентов позволяют определить бездефектное начало вскрытия котлованов и позволяет принимать решения, минимизирующие риски развития сверхнормативных деформаций зданий и коммуникаций.
References
Bogov S.G., Zuyev S. S. Experience of application of jet technology for fixing of weak soil at building reconstruction on Pochtamtskaya St. in St. Petersburg. Aktual'nye voprosy geotekhniki pri reshenii slozhnykh zadach novogo stroitel'stva i rekonstruktsii: sb. trudov nauchno-tekhnicheskoi konferentsii [Topical issues of geotechnics at the solution of complex challenges of new construction and reconstruction: collection of works of scientific and technical conference] St. Petersburg, 2010, рр. 80-86 (In Russian). Bogov S.G. Use of cement mortars for jet technology of fixing of soil taking into account their rheological properties. // Hydraulic engineering. 2013. No. 4, рр. 84-86 (In Russian).
4
