Контроль свойств и состояния грунтов основания сооружения при инъектировании цементного раствора Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 624.131.5: 622.02: 550.372

О. В. Герасимов, С. М. Простов

КОНТРОЛЬ СВОЙСТВ И СОСТОЯНИЯ ГРУНТОВ ОСНОВАНИЯ СООРУЖЕНИЯ ПРИ ИНЪЕКТИРОВАНИИ ЦЕМЕНТНОГО РАСТВОРА

Объектом исследования в данной работе1 является укрепляемое методом высоконапорной инъекции основание административного здания ОАО "Кузбассэнерго", находящегося в аварийном состоянии. Сооружение расположено в г. Кемерово в зоне неустойчивых глинистых грунтов вследствие воздействия неблагоприятных природных и техногенных гидрогеологических условий.

Здание в плане имеет Г - образную форму и состоит из трех примыкающих объемов прямоугольной формы. В конструктивном исполнении здание представлено системой кирпичных продольных наружных и внутренних стен, связанных между собой через 6-15 м внутренними поперечными стенами. Фундаменты сооружения ленточные из бутобетона на естественном основании, глубина заложения подошвы от уровня 1 этажа крыльев здания - 3,85 м, а в центральной части - 4,15 м. Ширина подошвы фундамента под наружными продольными стенами - 1,35^1,5 м, под внутренними - 0,72^1,14 м, под торцевыми наружными стенами -

1,2 м. Наружные стены подвала кирпичные толщиной 0,77^1 м, а внутренние - 0,52 м.

Обследование фундаментов сооружения было проведено из шурфов, пройденных из подвала. Материалы обследования показали, что существующие фундаменты имеют отклонения габаритов от проектных величин. По наружной оси ширина подошвы фундамента в соответствии с проектом должна быть 1,3 м, фактическая составляет 1,12 м. По внутренней оси

1 Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ по проекту 05-0564100

проектная ширина - 1,14 м, фактическая - 0,72 м. Разница между проектной и фактической величинами превышает допустимые отклонения. В теле фундамента разрывов и трещин не обнаружено. В результате об-

Мощность слоя - 1,6-2,0 м. Категория по трудности разработки ШЛУ (здесь и далее дается -в числителе при разработке одноковшовым экскаватором, в знаменателе по буримости).

№ 2 (ргОщ). Покровный суг-

Рис. 1. Схема расположения трещин на фасадах здания

следования строительных конструкций здания были обнаружены семь систем трещин с шириной раскрытия от 1 до 2 мм (рис. 1).

В геологическом отношении район работ расположен на севере Кузнецкой межгорной впадины, выполненной литифици-рованными отложениями верхнего палеозоя (Р23), перекрытых чехлом рыхлых четвертичных образований различного генезиса (Р). В соответствии с ГОСТ 20522-96 грунты по лито-лого-генетическим признакам с учетом изменчивости характеристик физико-механических

свойств подразделены на инженерно-геологические элементы, приведенные на рис. 2.

Ниже приводится характеристика выделенных инженерно-геологических элементов.

№ 1 ОРіу). Насыпной грунт, представленный в кровле асфальтобетоном мощностью до

0,2 м, далее суглинком с примесью обломков кирпича, щебня до 30-40 %, заполнитель имеет полутвердую консистенцию.

линок легкий и тяжелый лессовидный, светло-бурового цвета, средней плотности, среднесжи-маемый, слабокарбонатизиро-ванный по порам с наличием редких макропор, непросадоч-ный, полутвердой консистенции при естественной влажности (Ж = 0,19), при полном водона-

Рис. 2. Расположение инженерно-геологических элементов в основании фундамента:1 - фундамент; 2 - инъекционные скважины; 3 - геологическая скважина

сыщении = 1,0) его влажность составит Ж0 = 0,23, при этом грунт перейдет из полутвердого состояния I = 0,14) в тугопластичное (I, = 0,41).

Мощность слоя 0,7-3,7 м. Категория по трудности разработки

- III.

№ 3 (рОп). Покровный суглинок легкий и тяжелый бурого цвета, средней плотности, сред-несжимаемый, непросадочный, ожелезнен пятнами, туго- и мягкопластичной консистенции,

отмечаются редкие тонкие прослойки песка (1-2 мм, реже 2-3 см), к подошве грунт водонасыщенный. Мощность слоя от

4,3 до 6,5 м. Категория по трудности разработки - III.

№ 4 (ргОш). Покровный суглинок легкий и тяжелый бурого цвета, средней плотности, сред-несжимаемый, непросадочный, ожелезнен пятнами, с включениями текучепластичного (ИГЭ № 4) и мягкопластичного (ИГЭ № 3) суглинка. Категория по трудности разработки - III.

№ 5(а2Оп-ш). Песок аллювиальный пылеватый буроватосерого цвета, средней плотности, обводненный, часто переслаивающийся с супесью легкой, средней плотности, текучей, иногда встречаются тонкие линзы иловатого суглинка текучей консистенции. Мощность слоя 2,2-2,4 м. Категория по трудности разработки - III.

Ввиду нарушения естественного режима стока поверхностных вод, утечек воды из коммуникаций происходит дополнительное инфильтрацион-ное питание грунтовых вод. Это приводит к переувлажнению грунтов основания фундамента, постепенному подтоплению территории. В результате этих процессов на отдельных участках массива отмечается проявление просадочных свойств грунтов, а также происходит общее ухудшение их строительных свойств, что приводит к деформациям фундамента и повреждениям несущих стен. Дальнейшее подтопление территории и связанный с этим

подъем уровня грунтовых вод ведет к еще большему ухудшению несущих свойств грунтов основания, подтоплению фундаментов, разрушению самого материала фундамента, затоплению подвала здания.

Бурение контрольных скважин произведено буровой установкой УРБ-2А-2 колонковым способом без промывки короткими рейсами АИ = 0,151 м под руководством геолога. Отбор проб грунта из скважин производился методом задавливания тонкостенного грунтоноса диаметром ё = 0,56 мм. Интервал опробования составил АИ = 0,2-

1,0 м. Глубина контрольных геологических скважин на 3-4 м превышала мощность закрепленной зоны и составила 10,0 м.

Расчетные значения показателей физико-механических

свойств грунтов приведены в табл. 1.

При закреплении грунтов основания фундаментов сооружения геологической службой ООО "НООЦЕНТР-Д" с при-

влечением специализированных организаций производился контроль за изменением состояния грунтов в процессе закрепления и по окончании работ. Состав работ по контролю представлен следующими видами: статическим зондированием грунтов; бурением контрольных скважин; электрофизическими измерениями.

Статическое зондирование грунтов выполнено по методике, регламентированной ГОСТ 20069-81. Тензометрический зонд оттарирован с использованием образцового динамометра ДОСМ-3 с индикатором часового типа и2-10, прошедших поверку государственной метрологической службы. Методикой статического зондирования предусматривалось погружение зонда в грунт с постоянной скоростью 0,5-1 м/мин, при помощи силовой установки с одновременной записью показаний прибора по сопротивлению грунта погружению конуса д3 и повороту фрикционной муфты / через каждые 0,2 м. В качест-

Таблица 1

Физико-механические свойства грунтов основания ______________исследуемого объекта______________________

Глубина отбора, м Природная влажность Ж Модуль деформации Е, МПа Угол внутреннего трения ф, град. Удельное сцепление С, кПа

3,2 0,21 6,9

3,5 0,19 5,6 23 83,3

3,8 0,22 18 43,3

4,3 0,23 19 33,3

4,7 0,21 5,2 22 35,0

4,7 0,23

5,2 0,17 4,4

5,7 0,15

5,7 0,11

6,0 0,24 2,1 22 23,3

6,2 0,27

6,8 0,32 1.8 19 13,3

7,0 0,30

7,8 0,31 17 15,0

7,8 0,31 2,0 17 25,0

8,8 0,29

8,8 0,31 2,2

9,8 0,32 18 18,3

ве силовой установки для зондирования по наружному контуру здания использовалась буровая установка УГБ-1ВС, причем с поверхности до глубины

2,0 м через толщу насыпных и мерзлых грунтов проходились лидирующие скважины. В подвальной части здания задавли-вание зонда производилось с помощью специального устройства с использованием гидравлического домкрата.

На участках статического вдавливания зондов в грунт проводили вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ) симметричной 4-электродной установкой АЫЫВ с использованием штыревых металлических электродов и электрораз-ведочного компенсатора АЭ-72. По результатам электрофизического зондирования определяли эффективное удельное электросопротивление (УЭС) рк, соответствующее разносу зондирующих электродов АВ.

Схемы статического зондирования массива и ВЭЗ приведены на рис. 3.

Схема расположения кон-

а

3 р 6

2

к Щ і 4

Б 1

Рис. 3. Схемы статического зондирования массива (а) и электрофизического контроля методом ВЭЗ (б) при исследовании свойств закрепляемого массива:АЭ-72 - автокомпенсатор; Б - источник тока линии АВ; КА, КВ - катушки заземляющих электродов; 1- источник постоянного тока; 2 - электрокабель; 3 - прибор электромеханического каротажа ПТМ; 4 -тензометрический зонд типа "Пика"; 5 - штанга; 6- силовая установка; 7 - метки, устанавливающие длину разноса провода АВ

трольных скважин приведена на удельного сопротивления грун-

рис. 4. тов внедрению конуса дз(И) и

Из начальных графиков муфты зонда /¡(И), часть из ко-

іівіІІІІІІ'Я Ш

Рис. 4. Схема расположения контрольных скважин на плане подвала: ©— геологические скважины; - точки статического зондирования (СЗ); * - станции электрофизического прогноза (СЭП) методом ВЭЗ

Таблица 2

Таблица средневзвешанных показателей д3, /3 и Е_____________________

Точка набл. естеств. состояние в день нагнет. через 1 сут через 2 сут через 3 сут через 4 сут через сут через 7 сут >7 сут

С3-1 С3-3 С3-5 С3-12 С3-14 С3-16 С3-11 С3-7 С3-9

д3, МПа 0,6 0,4 0,57 0,68 0,5 0,58 1,67 1,37 2,14

/з, МПа 0,015 0,013 0,01 0,01 0,02 0,01 0,009 0,01 0,014

Е, МПа 4,2 2,8 4,0 4,8 3,5 4,2 11,7 9,59 15,9

Точка набл. С3-2 С3-4 С3-6 С3-13 С3-15 С3-17 С3-37 С3-40 С3-42

д3, МПа 0,66 0,66 0,68 0,98 0,62 0,58 0,53 0,64 0,73

/3, МПа 0,023 0,011 0,009 0,02 0,012 0,013 0,009 0,011 0,013

Е, МПа 4,6 4,6 4,7 6,8 4,4 4,0 3,71 4,21 5,11

торых приведена на рис. 5, следует, что геологический разрез даже в пределах относительно небольшой мощности, подвер гающейся закреплению, неоднороден по плотности, влажности и составу. Для грунта естественного сложения характерна пиловидная форма графика д3(И), что характеризует неоднородность плотности и влажности грунта, наличие длинных "пиков" указывает на присутствие прослойков песка плотного сложения. Мощность таких прослойков составляет до 0,4-0,6 м. Наличие увеличений показате-

лей ц3, /3 на графиках указывает на большую плотность этих прослойков.

Анализ изменения показателей ц3 и /3 в процессе закрепления грунта нагнетанием раствора позволяет сделать следующие выводы:

- непосредственно в день нагнетания раствора происходит снижение показателей q3, /3, что объясняется нарушением естественной структуры грунта и увеличением его влажности;

- через 1 сут после нагнетания начинается повышение показателей, через 3-4 сут проис-

ходит их стабилизация, при этом выделяются прослойки с значительным повышением величины q3, что позволяет сделать заключение о замещении суглинка песчано-цементной

смесью и его уплотнении;

- по истечении 4 сут и более на значительной части точек зондирования сопротивление погружению зонда превысило предельные возможности зонда, при этом д3 достигло величин 6,8-11,0 МПа, что соответствует модулю деформации Е = 47,877 МПа, характерному для гравелистых, очень плотных пес-

Рис.5. Результаты статического зондирования в точках зондирования С3-20 при естественном состоянии (а); С3-29 в день нагнетания (б); С3-23 через 2 сут после нагнетания (в):

1 - удельное сопротивления грунта на муфте трения зонда /3; 2 - удельное сопротивления грунта погружению конуса зонда д3

Н ’

Оыьм

50

40

30

20

10

р

ГК 1

Омм

20

19

18

17

16

СЭ1. Т4

С31 — Г--

!"

и |...

дэ! т3

у. 11+*

V с'зп

СИЛ ¡2

/

* /

Р

гк >

Ом-и 30

20

10

р

ГК 3

Ом:м

30

25

20

15

СЭП :" я— 6

* ' “ 1. :'Ш /_. Е’Ьп 7 '5

0/7 •7

1,, СЭП. ..Г.... | ' ■ ■_Лу' ез.ч

г* . 4' 'иЕ~ ’5

В

Ом-м

21

20

19

13

17

Ж

О 10 20 30 40 50 60 Ь£ут

с,2п 2и ■ ,Г-

. ■ ^ ЭП2

си, 7<\

Ж

/

/

ков или твердых, очень плотных суглинков и глин.

Средневзвешенные по зоне геоконтроля значения параметров д3, /3 и Е по всем построенным точкам измерений приведены в табл. 2. По данным бурения контрольных скважин в закрепленных грунтах отмечается уплотнение естественных суглинков и замещение части суглинков песком в виде линзочек и тонких прослоев очень плотного сложения. Отмечаются также прожилки до 1,5-2 см по мощности цементно-

песчаной смеси наподобие слабо сцементированного песчаника. Глубина выявленной закрепленной зоны по мощности соответствует длине инъектора. Расчетный модуль деформации по суглинкам в закрепленной зоне составил Е = 21,0-29,7 МПа, средневзвешенный Е = 25,6 МПа, для незакрепленной зоны Е = 4,2-8,4 МПа, средневзвешенный Е = 6 МПа.

0 Ю 20 30 40 .Ю 60 Шт Рис. 6. Графики изменения рк во времени по участкам СЭП № 1-4 (а), № 1-9 (б), 10-13 (в), 14-18 (г), 19-22 (д)

В результате геофизических работ по 22 станциям электрофизического прогноза (СЭП) построены графики изменения эффективного удельного электросопротивления (УЭС) рк во времени (рис. 6). Схема расположения СЭП приведена на плане фундамента сооружения (рис.

4).

Увеличение УЭС рк грунтов на стадии набора прочности составило в отдельных точках от 5 до 45 Омм. Такой разброс объясняется различными сроками закачки цементного раствора в инъекторы и началом измерений рк. Так например, инъекторы у точки СЭП-4 закачаны в течение 3 недель, а у точки СЭП-19

- в течение 2 недель, а измерения рк начаты одновременно, через 3 дня после последней закачки, т.е. в части точек СЭП измерения проведены после начала процесса твердения цементного раствора. Графики рО на этих участках более по-

логие, чем в тех точках, где измерения начаты до закачки цементного раствора. Электросопротивление грунтов здесь резко возрастает в начальный период измерений, далее график постепенно выполаживается.

Анализ усредненного графика зависимости р() (рис. 7) показывает, что наиболее активно увеличение электрического сопротивления происходит в первые 30-35 сут. Далее рост происходит медленнее, но за время наблюдений (66 сут) он не прекращается и достигает уровня рк = 25 Ом-м при начальном рк0 = 15 Ом-м, т.е. электрическое сопротивление грунтов увеличилось на 66 %. Используя специально установленные линейные статические зависимости между механическими и электрофизическими свойствами укрепленных грунтов на стадии набора ими прочности [1], произведен прогноз изменения прочностных пара-

укрепляемого массива с течением времени

метров д3, /3 массива с течением времени. К концу наблюдений (через 70 сут после нагнетания) увеличение прочностных параметров составило 60-70 %, что соответствует прочности, необходимой для устранения осадок грунта.

Результаты описанного в работе крупномасштабного эксперимента по контролю процессов укрепления неустойчивых грунтов методом высоконапорной инъекции позволяют сделать следующие выводы.

1. Комплексный геоконтроль процессов укрепления неустойчивых грунтовых массивов в основаниях горнотехнических и промышленных сооружений должен сочетать инженерно-геологические изыскания с отбором проб и их лабораторными исследованиями, периодическое опробование массива с помощью приборов статического зондирования и непрерывный геофизический мониторинг, обеспечивающий основной объем информации о

пространственно-временных изменениях свойств массива.

2. Разработана методика комплексного контроля физических процессов при укреплении неустойчивых влагонасыщенных грунтов оснований горнотехнических и промышленных сооружений, включающая применение следующих методов:

- статическое зондирование грунтов прибором электромеханического каротажа ПТМ-М в комплексе с тензометрическим зондом конструкции НПО "Геотест" и силовой установкой УГБ-1ВС с определением удельных сопротивлений грунта погружению конуса в диапазоне д3 < 5,0 МПа и на фрикционной муфте трения в диапазоне /3 < 0,5 МПа, последующим расчетом модуля деформации Е;

- бесскважинные измерения эффективного удельного электросопротивления рк массива методом вертикального электрического зондирования, электропрофилирования, кругового вертикального зондирования, с

помощью электроразведочной аппаратуры АЭ-72 в диапазоне рк < 100 Ом-м.

3. До нагнетания цементно-

го раствора прочностные параметры массива в основном изменяются в диапазоне = 0,005-0,02 МПа, = 0,2-0,6

МПа, при наличии пиковых значений д3 = 0,8-2,0 МПа, соответствующих прослойкам плотного песка мощностью 0,4-

0,6 м. Непосредственно после нагнетания раствора происходит снижение параметров д3 и /3 на 20-30 %, а затем начинается монотонное увеличение прочности массива, через 4 сут она превышает исходный уровень. За период наблюдений в течение 7 сут значения контролируемого параметра д3 увеличились до 0,6-0,8 МПа, при этом модуль деформации суглинков основания увеличился с уровня Е = 4,2-8,4 МПа для незакреплённой зоны до Е = 21,0-29,7 МПа для закрепленной. Диагностированы отдельные участки, где увеличение прочности было значительно меньшим, что вызвано неравномерностью распространения раствора.

4. При наборе прочности укрепленным массивом по 22 станциям электропрофилирования в течение 67 сут наблюдений установлено монотонное увеличение эффективного УЭС в диапазоне рк = 8-55 Ом-м, что с учетом установленной линейной зависимости между механическими и электрофизическими свойствами соответствует увеличению прочностных параметров д3 и/3 на 60-70 %.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Герасимов О. В. Исследование зависимости между механическими и электрофизическими свойствами грунтов, укрепляемых методом высоконапорной инъекции / О. В. Герасимов, С. М. Простов, Д. Ю. Пахомов // Вестник КузГТУ. - 2006. - №6. С. 20-23..

□ Авторы статьи:

Герасимов Олег Васильевич - заместитель директора по науке ОАО "НООЦЕНТР-Д"

Простов Сергей Михайлович

- докт.техн.наук, проф.каф. теоретической и геотехнической механики