CC BY
61
Контроль качества работ по закреплению грунтовых массивов методом
цементации
В.Н. Жур, Д.И. Лахно Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону
Аннотация: Рассмотрены особенности контроля качества работ по закреплению массивов просадочных грунтов методом цементации. Анализируются результаты лабораторных и полевых испытаний грунтов в рамках повторного обследования оснований, закрепленных методом цементации при строительстве многоквартирного трехсекционного жилого здания. Установлены причины неравномерных деформаций вновь возведенного объекта по результатам лабораторного исследования закрепленного просадочного грунта. Ключевые слова: цементация грунтов, просадочный грунт, искусственное закрепление грунтов, инъецирование, геокомпозит, армоэлемент, шурфование, испытание грунтов, строительный контроль
Закрепление слабых и структурно-неустойчивых грунтов методом цементации, разработанным в институте геоэкологии РАН и носящим название «геокомпозит», обладает рядом особенностей. Среди них высокая избирательность уплотняющего раствора, которая позволяет усиливать наиболее слабые зоны грунтового массива, создавая тем самым однородное основание с высокой несущей способностью. Особенностью данного метода в отличие от уплотнения является не разрушение структуры грунта с последующим повышением его плотности, а уменьшение сжимаемости и повышение водонепроницаемости, прочности и устойчивости за счет увеличения сцепления межу частицами [1].
«Геокомпозит» рекомендуется применять в макропористых дисперсных грунтах, гравелистых песчаных, трещиноватых скальных и крупнообломочных грунтах. Суть метода заключается в том, что через инъекторы под давлением подается растворная смесь из песка и вяжущего вещества (цемент), выходя через отверстия перфорированных труб-инъекторов, раствор в короткие сроки затвердевает и цементирует грунт. Для обеспечения наилучшего сцепления частиц грунта с раствором, перед процедурой нагнетания скважину промывают струей воды под давлением.
Долговечность данного метода зависит от наличия грунтовых вод, их агрессивности и скорости их потока. Основные достоинства технологии:
- надёжность (ликвидация риска, обвала, оползня или проседания участка, повышение водозащиты);
- прочность (грунт, укреплённый цементом, способен выдержать значительные нагрузки);
- простота организации (не влияет на общие сроки строительства объекта);
- снижает себестоимость строительства за счёт отсутствия громоздкого оборудования [2].
Затвердевшее тело цементно-песчаного раствора в грунтовом массиве по форме напоминают «корни» дерева, «стволом» которого является инъектор с примыкающими к нему бетонными телами и отходящими от них более мелкими бетонными жилами и прожилками, которые образуют жесткий пространственный каркас, заполненный уплотненным пылевато-глинистым грунтом. Исходя из данного утверждения, следует, что грунтовый массив становится квазиизотропным и его физико-механические свойства однородны в пределах закрепленного массива [3, 4].
После выполнения предусмотренных проектом работ, в основании будет создан армированный несущий массив. Он будет представлять собой природно-техногенный композит с высокой степенью жесткости и хаотической структурой, в котором в качестве матрицы выступает уплотненный грунт, а в качестве жестких включений - затвердевший песчано-цементный раствор. Проектом предусматривается использование неизвлекаемых инъекторов, которые выполняют роль дополнительных элементов вертикального армирования [5].
На практике далеко не всегда удается добиться равномерного распределения растворных жил в массиве закрепляемого грунта, поэтому
контроль качества закрепленного массива учитывает как качество растворных жил, так и качество околожильного грунта. Контроль качества и приемка работ по закреплению грунтов методом цементации производится в соответствии с требованиями СП 45.13330.2017 «Земляные сооружения, основания и фундаменты. При этом контролируются:
1. Геометрические параметры инъекций (плановая привязка, угол наклона, глубина).
2. Количество раствора, его состав (соотношение цемента, воды и песка).
После выполнения работ по закреплению грунтов основания фундаментов необходимо организовать постоянные инструментальные (геодезические) наблюдения за осадками фундаментов. При этом первый год наблюдения необходимо проводить не реже 1 раза в 3 месяца, а далее один раз в год в течение 5 лет эксплуатации здания [6].
Перед началом производства работ по основному объему закрепления основания должно быть выполнено опытное инъецирование в количестве не менее четырех инъекций, аналогичных проектным, непосредственно на строительной площадке. На опытном участке не ранее, чем через 7 суток после нагнетания цементно-песчаного раствора должен быть вскрыт контрольный шурф на глубину около 1,0 м ниже уровня подошвы фундамента. Из шурфа должны быть отобраны 3 контрольных образца.
Помимо качества тела армирующего элемента выполняется оценка физико-механических свойств закрепленного грунта. Для этого предусматривается отбор трех монолитов грунта из каждого вскрытого шурфа:
- 2 монолита следует отобрать из-под подошвы фундамента (вблизи от цементно-песчаных жил);
- 1 монолит из противоположной незакрепленной зоны.
В рамках лабораторных испытаний для отобранных образцов определяются следующие характеристики: плотность при естественной влажности (р), плотность скелета (рД удельное сцепление (С), угол внутреннего трения (ф), модуль деформации при естественной влажности (Е) и при водонасыщении (ЕшГ). Полученные результаты подвергаются статистической обработке с целью выявления нормативных и расчетных показателей, которые впоследствии сопоставляются со значениями, заданными в проекте. Как правило, помимо необходимости достижения вышеуказанных проектных характеристик, требуется устранение просадочных свойств при водонасыщении [7].
Надежность грунтового основания оценивается по двум группам предельных состояний:
- для оценки по Ьй группе требуются удельное сцепление и угол внутреннего трения;
- для оценки по П-й группе требуются модуль деформации и характеристики просадочности.
Плотность при природной влажности и плотность сухого грунта применяется при расчетах сразу по двум группам предельных состояний.
В качестве примера дополнительного контроля качества закрепленного основания приведено обследование подземной части многоквартирного жилого дома. Здание трехсекционное, десятиэтажное. Конструктивная схема - каркасно-монолитная, со сплошной монолитной железобетонной фундаментной плитой. Высота фундаментной плиты - 1,0 м. Среднее расчётное давление под подошвой фундаментной плиты составляет 227 кПа.
Геолого-литологический разрез составляют средне и слабопросадочные суглинки с консистенцией от твердой до мягкопластичной.
В геолого-литологическом разрезе участка от поверхности до разведанной глубины 25,0 м, выделены следующие слои и ИГЭ:
М Инженерный вестник Дона, №12 (2021) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nl2y2021/7357
- до глубин 1,6-2,6 м - ИГЭ-1 - суглинок тяжелый пылеватый твердый, при водонасыщении мягкопластичный, просадочный, незасоленный;
- до глубин 7,5-8,5 м - ИГЭ-2 - суглинок тяжелый пылеватый полутвердый, при водонасыщении мягкопластичный, просадочный, незасоленный;
- до глубин 15,1-16,0 м - ИГЭ-3 - суглинок тяжёлый пылеватый, тугопластичный, непросадочный, ненабухающий;
- до глубин 21,3-22,4 м - ИГЭ-4 - глина лёгкая пылеватая, полутвёрдая, непросадочная, ненабухающая;
- до глубины 25,0 м - ИГЭ-5 - суглинок лёгкий песчанистый, тугопластичный, непросадочный, ненабухающий.
Физико-механические свойства грунтов приведены в таблице №1.
Таблица №1
Физико-механические характеристики грунтов основания
№ ИГЭ Плотность Рп, г/см3 Угол внутреннего трения ф, град. Удельное сцепление С, кПа Модуль деформации Е, МПа Модуль деформации при водонасыщении ЕшЬ МПа
1 1,68 16 16 10,9 5,8
2 1,79 15 17 19,9 12,1
3 1,99 19 24 - 17,4
4 1,99 18 35 - 22,0
5 1,99 21 25 - 23,9
Подземные воды вскрыты на глубинах от 8,5 до 9,5 м., сезонные колебания уровня подземных вод составляют 1,0-1,5 м.
Насыпные грунты встречены с поверхности до глубины 0,3-1,2 м и представлены суглинком тяжелым светло-коричневым от твердой до
полутвердой консистенции с включением строительного мусора до 10% (битый кирпич, щебень).
Грунты ИГЭ-1 и ИГЭ-2 обладают просадочными свойствами до глубины 7,5-8,5 м. Просадка грунта под действием собственного веса при водонасыщении составляет 5,12-5,33 см. Тип грунтовых условий по просадочности - второй. Проектом предусмотрено решение в виде армирования просадочных грунтов основания элементами повышенной жесткости с использованием метода цементации грунтов на всю глубину просадочной толщи на 6,0 м ниже уровня подошвы фундаментов.
Технология работ включает в себя бурение скважин диаметром 76 мм, погружение перфорированных инъекторов, нагнетания в них цементно-песчаного раствора перед возведением надземной части здания. Проектом принят процент армирования массива закреплённого грунта, равный 10,6 %, что обеспечивает расчётное значение модуля деформации в водонасыщенном состоянии для закрепляемого грунта не менее 25 МПа. Суммарные расчетные деформации фундаментов с учетом закрепления не должны превышать 9,9 см, что меньше предельно допустимой осадки в 15 см для зданий с полным железобетонным каркасом, согласно требованиям приложения Г СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений».
В рамках данного объекта инициировано дополнительное обследование уже по прошествии 28-дневного периода с начала проведения работ по закреплению грунтов основания. Необходимость дополнительного обследования вызвана развивающимися деформациями основания под подошвой вновь возведенного здания, при достижении нормативной эксплуатационной нагрузки от вышележащих конструкций.
На рис. 1 показана схема расположения шурфов. По результатам геодезических наблюдений обнаружено, что деформация основания под центральной секцией № 2 превысила расчетное значение деформации
основания 9,9 см, установленное проектом, наблюдаются крены соседних секций №1 и №3 к центральной части многоэтажного дома.
ШипЛ 1
Схема расположения шурфов
ШчгчЬ ?
Шурф 3
¿) (2) (3) {¿) [5) {6)
Рис. 1. - Схема расположения шурфов обследуемого многоквартирного
жилого дома
На рис. 2 приведены габаритные размеры шурфов и глубина расположения относительно подошвы фундамента многоквартирного жилого дома.
Рис. 2. - Габариты шурфа и глубина расположения
М Инженерный вестник Дона, №12 (2021) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nl2y2021/7357
Выполнена проходка трех шурфов (рис. 3), в каждом из которых отобраны 2 монолита из уплотненного грунта между растворными жилами (обжатые образцы) и 1 монолит за пределами зоны закрепления (необжатые образцы).
Шурф №1 Шурф №2 Шурф №3
Рис. 3. - Фотографии из шурфов №№ 1-3 На фотографиях (рис. 3) стрелками показаны затвердевшие жилы, образовавшиеся при гидроразрыве пласта глинистого грунта вследствие нагнетания песчано-цементного раствора под давлением 6 атм. Визуальный осмотр закрепленного грунта показал наличие следов закачивания раствора.
В рамках лабораторных исследований проведен комплекс испытаний по определению основных физических, деформационных и прочностных характеристик грунтов. Просадочные свойства и модули деформации грунта определены методом компрессионного сжатия по схемам «одной кривой» и «двух кривых». Показатели удельного сцепления и угла внутреннего трения определены методом одноплоскостного неконсолидировано-недренированного среза с предварительным водонасыщением и при вертикальных давлениях 0,05 МПа, 0,10 МПа и 0,15 МПа [8].
Результаты лабораторных испытаний 6-и обжатых и 3-х необжатых образцов на соответствие проектных значений приведено в таблице №2.
Таблица №2
Результаты контроля качества закрепленного грунта
№ выработки Плотность Pii, г/см3 Плотность сухого грунта рА г/см3 Угол внутреннего трения ф, град. Удельное сцепление С, кПа Модуль деформации Е, МПа Модуль деформации при водонасыщении ЕшЬ МПа Просадоч-ность
Шурф-1- обж-1 1,85 1,52 22 13 12,5 10,3 Устранена
Шурф-1- обж-2 1,85 1,53 24 20 11,7 9,4 Устранена
Шурф-1- необж 1,66 1,38 17 17 12,5 7,5 Не устранена
Шурф-2-обж-1 1,72 1,41 22 13 7,0 6,1 Не устранена
Шурф-2-обж-2 1,69 1,41 22 13 9,0 6,8 Не устранена
Шурф-2-необж 1,71 1,43 17 13 8,3 6,6 Не устранена
Шурф-3-обж-1 1,67 1,39 14 23 10,3 7,4 Не устранена
Шурф-3-обж-2 1,68 1,41 22 17 11,6 6,5 Не устранена
Шурф-3-необж 1,71 1,43 17 17 14,0 7,4 Не устранена
Показатели в таблице №2 свидетельствуют о том, что проектные значения модуля деформации в водонасыщенном состоянии Еза1 и плотности сухого грунта р^ для обжатых образцов из шурфов №№ 2-3 не достигнуты и закрепление грунта выполнено не качественно. При этом следует отметить, что после закрепления грунта ИГЭ-1 плотность рц повысилась с 1,68 г/см до 1,74 г/см , модуль деформации при водонасыщении Еш повысился с 5,8 МПа до 7,8 МПа, удельное сцепление С повысилось с 16 кПа до 17 кПа, угол внутреннего трения ф повысился с 16° до 21°.
Результаты повторного обследования закрепленного просадочного основания показали, что далеко не всегда наличие растворных жил
обеспечивает достижение проектных значений для физико-механических свойств грунтов после усиления методом цементации [9].
После проведения обследования и установления всех причин кренов секций должны быть разработаны дорогостоящие мероприятия по ликвидации последствий неравномерных деформации из-за некачественно выполненных работ по усилению грунтов в основании многоквартирного жилого здания. Работы по закреплению просадочных грунтов требует более строгого лабораторного контроля качества как на начальном этапе работ при инъецировании на опытном участке, так и после завершения всего объема работ. Адекватное техническое сопровождение несоизмеримо дешевле по сравнению с дополнительными затратами, которые должны быть направлены на обеспечение нормальной эксплуатации при ликвидации последствий неравномерных просадочных деформаций [10].
Литература
1. Кузнецов М.В., Маринченко Е.В., Чмшкян А.В., Дружинин Я.Н. Конструктивные решения по усилению основания 24-х этажного жилого дома в г. Ростове-на-Дону // Инженерный вестник Дона, 2019, №5. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n5y2019/5928/.
2. Кузнецов М.В., Маринченко Е.В., Колесник Е.А. Обоснование параметров усиления грунтов основания жилого дома методом цементации через направленный гидроразрыв // Инженерный вестник Дона, 2019, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2019/5929/.
3. Приходченко О.Е., Таржиманов М.А., Таржиманов Э.А., Сычев И.В. Опыт применения метода цементации при закреплении мягко-пластичных грунтов в г. Ростове-на-Дону // Научное обозрение. 2014. №9. Ч.3. С. 746-750.
4. Prokopov A., Prokopova M., Rubtsova Ya. The experience of strengthening subsidence of the soil under the existing building in the city of Rostov-on-Don //
MATEC Web of Conferences. Vol. 106. 2017. URL: doi.org/10.1051/matecconf/201710602001.
5. Akopyan V., Akopyan A. Experimental and Theoretical Investigation of the Interaction of the Reinforced Concrete Screw Piles with the Surrounding Soil // Procedia Engineering, Volume 150, 2016, pp.2202-2207.
6. Жур В.Н. Динамика просадочных процессов при компрессионном сжатии глинистых лессовых грунтов // Актуальные проблемы науки и техники. 2020. Материалы национальной научно-практической конференции. Отв. редактор Н.А. Шевченко. 2020. С. 610-613.
7. Жур В.Н., Александров А.П., Куликов А.С. Анализ просадочных процессов при компрессионном сжатии глинистых грунтов Ростовской области и Республики Калмыкия // Инженерный вестник Дона, 2021. №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1 y2021/6801/.
8. Чернявский А.Г. Армированное основание: патент 83258 РФ: МПК E02D5/66 / заявл. 24.07.2008; опубл. 27.05.2009.
9. Цытович Н.А. Механика грунтов. - М.: Высшая школа, 1983. - 288 с.
10. Гиря Л.В., Белаш В.В., Хоренков С.В., Петров К.С. Контроль качества производства работ по закреплению грунтов основания с использованием метода георадиолокационного подповерхностного зондирования // Инженерный вестник Дона, 2013, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/ archive/n4y2013/2056.
References
1. Kuzneczov M.V., Marinchenko E.V., Chmshkyan A.V., Druzhinin Ya.N. Inzhenernyj vestnik Dona, 2019, №5. URL: ivdon.ru/ru/magazine/ archive/n5y2019/5928/.
2. Kuzneczov M.V., Marinchenko E.V., Kolesnik E.A. Inzhenernyj vestnik Dona, 2019, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2019/5929/.
М Инженерный вестник Дона, №12 (2021) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nl2y2021/7357
3. Prihodchenko O.E., Tarzhimanov M.A., Tarzhimanov Je.A., Sychev I.V. Nauchnoe obozrenie. 2014. №9. Part. 3. pp. 746- 750.
4. Prokopov A., Prokopova M., Rubtsova Ya. MATEC Web of Conferences. Vol. 106. 2017. URL: doi.org/10.1051/matecconf/201710602001.
5. Akopyan V., Akopyan A. Procedia Engineering, Volume 150, 2016, pp.2202-2207.
6. Zhur V.N. Aktual'ny'e problemy' nauki i texniki. 2020. Materialy' nacional'noj nauchno-prakticheskoj konferencii. [Actual problems of science and technology. 2020. Materials of the national scientific and practical conference]. Editor N. A. Shevchenko. 2020. pp. 610-613.
7. Zhur V.N., Aleksandrov A.P., Kulikov A.S. Inzhenernyj vestnik Dona, 2021. №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2021/6801/.
8. Chernjavskij A.G. Armirovannoe osnovanie: patent 83258 RF: MPK E02D5/66; zajavl. 24.07.2008; opubl. 27.05.2009. [Reinforced base: RF patent 83258: IPC E02D5 66 Chernyavsky A.G.; declare 07.24.2008; publ. 27.05.2009].
9. Tsytovich N.A. Mehanika gruntov [Soil mechanics]. Moskva: Vysshaja shkola, 1983. 288 p.
10. Girya L.V., Belash V.V., Horenkov S.V., Petrov K.S. Inzhenernyj vestnik Dona, 2013, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2056.
