CC BY
34Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 624.15
DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2019-9-11-16
А.Г. МАЛИНИН, канд. техн. наук ([email protected])
ООО «Строительная компания «ИнжПроектСтрой» (614000, г. Пермь, Комсомольский пр., 34, оф. 105)
О необходимости корректировки СП 291.1325800.2017 «Конструкции грунтоцементные армированные. Правила проектирования»
Рассмотрено практическое применение СП 291.1325800.2017 «Конструкции грунтоцементные армированные. Правила проектирования» применительно к объекту, на котором с помощью технологии струйной цементации грунта выполнены работы по усилению слабого основания под фундаментной плитой строящегося жилого дома. Практически два десятилетия российские геотехники применяли струйную технологию, не имея каких-либо нормативных документов, хотя за этот период были построены сотни объектов разной степени сложности и ответственности. Появление СП 291.1325800.2017, регламентирующего правила проектирования грунтоцементных конструкций, безусловно, является очень важной вехой в отечественной геотехнике, однако содержащиеся в нем правила, регламентирующие проектирование, производство, а главное, приемку выполненных по этой технологии, работ значительно усложняют взаимоотношения между заказчиком и исполнителем. Рассматриваются вопросы контроля качества выполненных работ в соответствии с положениями данного нормативного документа. Показано несоответствие содержащихся в СП 291.1325800.2017 правил принципам струйной цементации. Показаны возможные способы корректировки данного нормативного документа.
Ключевые слова: струйная цементация, высоконапорный насос, цементировочные форсунки, грунтоцементные элементы, глубинное перемешивание грунта.
Для цитирования: Малинин А.Г. Необходимость корректировки СП 291.1325800.2017 «Конструкции грунтоцементные армированные. Правила проектирования» // Жилищное строительство. 2019. № 9. С. 11-16. DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2019-9-11-16
A.G. MALININ, Candidate of Sciences (Engineering) ([email protected]) "Construction Company "InzhProektStroy" LLC (34, 0ff.105, Komsomolsky Prospect, Perm, 614000, Russian Federation)
Need to Adjust SP 291.132 5800.2017 "Structures Soil-Cement Reinforced. Design Rules"
The practical application of SP 291.1325800.2017 « Structures Soil-Cement Reinforced. Design Rules", in relation to the object on which works on strengthening of the weak base under the foundation plate of the house under construction using the technology of jet cementation of soil are carried out, is considered. Practically two decades, Russian geotechnicians used the jet grouting without any regulatory documents, although hundreds of facilities of varying degrees of complexity and responsibility were built during this period. The emergence of SP 291.1325800.2017 regulating rules of design of soil-cement structures definitely is a very important milestone in the national geotechnical engineering, however, it contained the rules governing the design, production, and, most importantly, the acceptance of works made by this technology that significantly complicate the relationship between the customer and the contractor. The issues of quality control of the performed works according to provisions of this normative document are considered. The discrepancy of the rules contained in the SP 291.1325800.2017 to principles of jet grouting is shown. Possible ways of correction of this normative document are also shown.
Keywords: jet grouting, high-pressure pump, cementing nozzles, soil-cement elements, deep mixing of soil.
For citation: Malinin A.G. Need to adjust SP 291.132 5800.2017 "Structures soil-cement reinforced. Design rules". Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2019. No. 9, pp. 00-00. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2019-9-00-00
В 2017 г. вышел в свет СП 291.1325800.2017 «Конструкции грунтоцементные армированные. Правила проектирования», о котором мечтали российские геотехники. За прошедший двухгодовой период накопился определенный опыт его применения в практике проектирования, а главное, в практике приемки
92019
результатов работ, выполненных с помощью достаточно новой для РФ технологии струйной цементации грунтов, которую начали применять в конце 1990-х гг. Так, например, в Перми по этой технологии были укреплены слабые грунты в основании строящегося автодорожного тоннеля под железнодорожной вет-
— 11
Подземное строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 1. Укрепление грунтов на площадке строительства многоэтажного жилого дома
кой Транссибирской магистрали. Приблизительно в это же время другие строительные организации стартовали с этой технологией в Москве и Санкт-Петербурге.
Практически два десятилетия российские геотехники применяли струйную технологию, не имея каких-либо нормативных документов, хотя за этот период были построены сотни объектов разной степени сложности и ответственности. Сам факт появления документа, регламентирующего правила проектирования грунтоцементных конструкций, безусловно, является шагом вперед. Но содержащиеся в нем правила, регламентирующие проектирование, производство, а главное, приемку выполненных по этой технологии работ, являются несколькими шагами назад.
Для пояснения напомним сущность технологии струйной цементации [1-4], которая состоит в разрушении грунта струей цементного раствора с одновременным перемешиванием этого грунта с цементом. После твердения цементного раствора в грунтовом массиве формируется квазицилиндрический элемент из нового материала (грунтоцемента), обладающего повышенными прочностными и деформационными характеристиками.
Технология струйной цементации является всего лишь одним из способов более общего класса задач укрепления слабых и неустойчивых грунтов. С давних времен известны положительные примеры инъекционного закрепления крупнообломочных грунтов, гравийно-галечниковых отложений и рыхлых крупнозернистых песков [5-12]. При уменьшении размера
зерен грунта применяют, как правило, инъекционные составы на основе синтетических смол, но и они имеют сомнительную эффективность при попытках закрепления глинистых грунтов.
Другим интересным и незаслуженно забытым в нашей стране направлением является технология механического разрушения и перемешивания грунта с цементным раствором специальным буровым инструментом, оснащенным системой режущих и смесительных лопастей (метод глубинного перемешивания). Смесительная технология может применяться практически в любых типах грунтов, от илов до гра-вийно-галечниковых отложений [3].
Струйная цементация является дальнейшим развитием «смесительного» направления. В этой технологии разрушение грунта и его перемешивание выполняется не механическим, а гидравлическим способом - струей жидкости, истекающей под большим напором из сопел струйного монитора. В первом варианте успех технологии зависит от мощности двигателя буровой установки, во втором - от мощности двигателя насосного агрегата. Хотя эти две технологии являются близкими по принципу, их нельзя отождествлять между собой. Каждая технология обладает своими преимуществами и недостатками.
В первом варианте диаметр грунтоцементной колонны с точностью до нескольких миллиметров равен диаметру смесительного бура. Гарантированное обеспечение диаметра грунтоцементной колонны является основным преимуществом технологии. К недостаткам следует отнести высокую неоднородность перемешивания глинистых грунтов и, как следствие, большой разброс механических характеристик -прочности и модуля деформаций, что значительно снижает класс прочности грунтоцемента.
В технологии струйной цементации все происходит с точностью до наоборот. Высоконапорная струя качественно перемешивает грунт до практически однородного состояния. Однако в этом случае невозможно заранее точно спрогнозировать диаметр грунтоцементного элемента. В настоящее время не существует стройной теории разрушения грунта струей жидкости, а многочисленные эмпирические зависимости получены для узких диапазонов типов исследованных грунтов [2].
Ситуация усложняется и тем, что после выполнения работ не всегда возможно измерить фактический диаметр грунтоцементной колонны. Наиболее безупречным способом является откопка колонн экскаватором. Но это можно делать только в необводнен-ных устойчивых грунтах и только на глубину стрелы экскаватора.
Существуют многочисленные попытки измерения диаметров колонн с помощью калиперов различных
12
92019
ЖИЛИЩНОЕ
Научно-технический и производственный журнал
Л
Рис. 2. Оценка диаметра колонн
конструкций. Но, во-первых, это можно делать только непосредственно сразу после изготовления колонны, когда ее тело находится в жидком состоянии. Во-вторых, более или менее реальные результаты можно получить только при формировании колонн в устойчивых глинистых грунтах, в песчаных грунтах это сделать практически невозможно.
Безусловно, можно было бы определить диаметр колонн на этапе проектирования объекта, в процессе проведения опытных работ в условиях строительной площадки. В реальной же ситуации при одностадийном процессе проектирования опытные работы не проводят. Проектировщик назначает диаметр исходя из своего личного опыта, по аналогии с другими объектами, в лучшем случае в консультациях с предполагаемым производителем работ. Затем проект направляют на экспертизу, и после получения положительного результата изменять уже ничего нельзя!
Рис. 3. Выбуривание керна диаметром 300мм: а — извлечение керна; б — внешний вид керна по длине всей колонны
Еще одно важное замечание - прогноз диаметра колонны тесно связан с прогнозом расхода цемента на 1 п. м колонны, а это уже не просто теория, это - величина, во многом определяющая стоимость объекта.
Как правило, не существует объектов, когда фактические значения этих двух параметров совместно совпадали бы с их прогнозируемыми значениями. На практике чаще всего встречается ситуация, когда при проектном расходе цемента не достигнуто проектное значение диаметра и проектные характеристики грунтоцемента. В этом случае дополнительный расход цемента становится непредвиденной статьей затрат подрядчика со всеми вытекающими из этого финансовыми проблемами.
Выход из создавшейся ситуации нужно искать в понимании единства и противоположности двух смесительных технологий. Первая технология, основанная на точных размерах смесительного бура, очень близка по своей сути к технологиям устройства буро-
92019
13
Подземное строительство
вых свай. Поэтому методы проектирования, а главное, методы контроля должны с некоторой корректировкой заимствоваться из технологий устройства буровых свай.
Струйная технология по своей сути находится ближе к инъекционным технологиям, когда результат укрепления грунтов не может быть точно предсказан, поэтому методы контроля выполненных работ должны быть иными, чем при устройстве буронабив-ных свай, они должны быть ближе к методам контроля инъекционных работ. Как и в инъекционной технологии, результат струйной цементации зависит не только от пожеланий проектировщика, но и от отклика грунта на разрушающее воздействие струи, от сложных физико-химических процессов, протекающих при реакции гидратации, от неоднородности сложения основания и даже от неоднородности грунтов в пределах одного инженерно-геологического элемента.
В условиях отсутствия надежных способов прогнозирования диаметра и механических свойств грунтоцемента на первое место выходят результаты, полученные опытным путем. К сожалению, даже в процессе опытных работ не всегда можно исследовать объект в полном объеме, поэтому процедура проектирования должна быть многостадийной с возможностью корректировки параметров технологии в процессе производства работ на объекте.
Последовательность работ по проектированию и строительству объекта должна быть следующей:
- производство опытных работ на этапе инженерных изысканий или предпроектных исследований;
- разработка проектной документации на основе результатов, полученных в ходе опытных работ;
- производство работ;
- анализ полученных на практике результатов (не просто контроль, а анализ!); в случае, если фактические значения анализируемых параметров не соответствуют проектным значениям, следует откорректировать проект, а если это необходимо, выполнить дополнительные работы. Отметим, что если перед началом основных работ были проведены опытные работы в полном объеме, то назначения дополнительных работ чаще всего не требуется.
Именно на таком принципе построен британский стандарт BS EN 12716:2001 «Execution special geotechnical works - Jet grouting», который принят для исполнения в большинстве европейских стран. Все исследования выполняются только на этапе опытных работ, а на этапе основного производства выполняют только операционный контроль технологических параметров, таких как давление, расход, количество и диаметры форсунок, выход пульпы. Считается, что если в условиях одной строительной площадки тех-
14| -
Научно-технический и производственный журнал
нологические параметры соблюдены, то и выходные параметры, такие как диаметр, прочность и другие характеристики, будут соответствовать значениям, полученным в ходе опытных работ. Исходя из этого принципа разработчики современного технологического оборудования основной упор делают на постоянный операционный контроль технологических параметров с их непрерывной записью, архивированием и передачей цифровой информации в реальном режиме времени через «облака» всем заинтересованным сторонам этого процесса.
К сожалению, BS EN 12716:2001 не был принят в качестве образца при создании нового нормативного документа. Разработчики документа перенесли методы контроля буровых свай, выполненных из заводского бетона, на грунтоцементные элементы, полученные с помощью одной из инъекционных технологий.
Рассмотрим пример применения
СП 291.1325800.2017 «Конструкции грунтоцементные армированные. Правила проектирования» в процессе контроля качества работ по струйной цементации грунтов на одном из недавно выполненных объектов в г. Перми. Строительная компания «ИнжПроект-Строй» в 2018 г. выполнила работы по укреплению грунтов на площадке строительства многоэтажного жилого дома по ул. Гашкова, 32 в Мотовилихинском районе г. Перми.
В связи с необходимостью сооружения одного подземного этажа предполагалось устройство котлована глубиной примерно 4 м с устройством фундаментной плиты.
В основании фундамента залегают следующие грунты (сверху вниз):
- суглинок полутвердый;
- гравийно-галечниковый грунт с песчаным заполнителем;
- глина твердой и полутвердой консистенции.
Мощность каждого слоя составляет примерно
1,8-2,2 м.
Необходимость цементации основания была вызвана низкими деформационными свойствами грунтов. Модуль деформации глинистых грунтов составлял 11-17 МПа. Модуль гравийных грунтов не был определен в связи с невозможностью отбора образцов несвязного грунта в процессе инженерных изысканий.
Работы выполняли по технологии Jet 2. Диаметр грунтоцементных колонн без проведения каких-либо опытных работ был принят 1,2 м, шаг колонн -2,2x2,5 м (рис. 1). Расход цемента принят 600 кг на 1 п. м по глубине всей колонны, независимо от типа укрепляемого слоя грунта. После получения положительного результата экспертизы параметры технологии изменять было нельзя.
|9'2019
—------ ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Научно-технический и производственный журнал
С точки зрения «предыдущей эпохи» проект отвечал основам струйной цементации. Основное внимание было уделено слою глины с наиболее низкими деформационными характеристиками, в гравийном грунте результат был не особенно важен, так как даже в естественном состоянии гравийный грунт обладал достаточно высокими характеристиками.
Грунтоцементную колонну формировали в различных по размываемости типах грунтов, тем не менее для всех слоев были назначены одинаковые параметры: расход цемента, скорость подъема монитора, количество и диаметр форсунок, давление нагнетания. И все было бы хорошо, и давно бы уже жильцы дома отпраздновали новоселье, но именно в этот период в свет вышел СП 291.1325800.2017, поэтому контроль качества и основанная на нем приемка работ выполнены в соответствии с данным нормативным документом. Результаты оценки диаметра колонн показаны на рис. 2.
Для верхнего слоя все параметры соответствовали проектным значениям. Неожиданности (для непосвященных) начались позже. Известно, что в несвязных грунтах диаметры свай намного больше, чем в связных глинистых грунтах. Именно по этим причинам диаметр колонны в несвязных гравийно-галеч-никовых отложениях получился намного больше проектного значения и в максимальном случае достиг 2,2 м, т. е. превысил проектное значение примерно в два раза! К сожалению, в струйной цементации формирование колонн с диаметром, значительно превышающим проектное значение, является таким же неблагожелательным явлением, как и формирование колонн диаметром, меньшим проектного значения.
Нетрудно подсчитать, что при диаметре 2,2 м и расходе цемента 600 кг на 1 п. м колонн концентрация цемента составила всего примерно 160 кг на 1 м3 грунтоцемента, что приблизительно в три раза (!) меньше стандартных значений. Такая низкая концентрация цемента привела к тому, что между частицами гравия и гальки не образовалось прочных сцементированных связей, т. е. укрепления грунта до связного состояния не произошло. Как следствие, в этом слое отобрать керн обычным способом, с помощью колонковых труб 127 мм не удалось. При сопоставимости размеров встреченной гальки и размера буровой коронки в процессе отбора керна происходило разрушение слабосцементированного грунта, что службами заказчика истолковывалось как отсутствие результатов цементации.
И хотя решение было понятным - увеличить диаметр керноотборника до 300 мм, технические службы заказчика настояли на строгом применении требований п. 8.2.5 СП 291.1325800.2017 о диаметре кернов 44-150 мм и о невозможности применения
9'2019
керноотборника увеличенного диаметра. Хуже всего, что данное требование было увязано с требованием другого нормативного документа - СП 45.13330.2017 «Земляные сооружения, основания и фундаменты» о необходимости отбора кернов на расстоянии 1/3 и 5/6 радиуса закрепления. В нижнем слое, включающем глину твердой консистенции, проектного диаметра колонны достичь не удалось. По различным оценкам, диаметр не превышал 700-800 мм.
Для специалистов понятно, что в различных грунтах будут получены различные диаметры грунтоце-ментных колонн. В нашем случае разброс диаметров колонн составил от 700 мм в твердой глине до 2200 мм в гравийных отложениях. Но что тогда проектный диаметр? Должны мы стремиться к снижению стоимости укрепления основания, определяя одинаковыми все технологические параметры для всех типов грунтов или стремиться усложнить технологию, стремясь получить во всех слоях одинаковый диаметр? По каким правилам проектировать этот объект? К сожалению, СП 291.1325800.2017 таких правил не содержит.
Опуская подробности переговоров с техническими службами заказчика, отметим, что благодаря содействию специалистов НИИОСП им. Н.М. Герсе-ванова было получено согласование об увеличении диаметра керноотборника до 325 мм, что позволило взять керн на всю глубину колонн. Испытание образцов грунтоцемента показало, что средние значения модуля деформации для каждого слоя превышали проектное значение 400 МПа. Расчеты показали, что осадки фундаментной плиты при этом оказались в 2-4 раза меньше допустимых значений (в зависимости от применяемой методики).
Но даже при всех убедительных доказательствах получения положительного результата заказчик настоял на устройстве дополнительных грунтоцемент-ных элементов. Как говорится, заказчик всегда прав. К моменту написания данной статьи история не завершена.
В одной статье невозможно описать всю неадекватность правил, содержащихся в СП, к проектированию, производству и контролю качества этой, безусловно, универсальной и перспективной технологии.
Например, правила отбора кернов не только противоречат самим себе в различных пунктах СП, но также противоречат СП «Земляные сооружения, основания и фундаменты». Если удовлетворять наиболее жестким требованиям отбора керна, то образцы грунтоцемента нужно увозить с объекта грузовиками, а стоимость отбора кернов и их испытаний в строительной лаборатории превысит стоимость строительных работ.
Интересно, что в BS EN 12716:2001 «Execution special geotechnical works - Jet grouting» указано,
- 15
Подземное строительство
Ц M .1
Научно-технический и производственный журнал
«что если не существует специальных требований проекта, то прочность конструкции должна оцениваться путем испытания четырех образцов, взятых из конструкции, на каждые 1000 м3 ее объема». Расчет показал, что для вышеописанного объекта таких образцов как раз и будет 4 шт. Разница существенная.
Трудно представить дальнейшее развитие технологии струйной цементации грунтов при существующих нормативных документах. По мнению автора, если срочно не принять каких-либо мер по корректировке всех нормативных документов с точки зрения их взаимной согласованности, а главное, соответствия здравому смыслу, технология струйной
Список литературы
1. Christian Kutzner. Grouting of Rock and Soil. Rotterdam: Brookfield, 1996.
2. Малинин А.Г. Струйная цементация грунтов. М.: Стройиздат, 2010. 228 с.
3. Ground Improvement. Edited by Klaus Kisch, Alan Bell, CRS Press, 2015.
4. Gian Nico Garzarella. Jet Grouting. Aspetti teorici e pratici. Palermo: D. Flacovio, 2016.
5. Малинин А.Г., Гладков И.Л., Жемчугов А.А. Укрепление слабых грунтов в основании насыпи автодороги при помощи технологии струйной цементации II Транспортное строительство. 2013. № 1. С. 4-7.
6. Малинин П.А., Струнин П.В. Опыт строительства глубокого котлована с использованием технологии струйной цементации грунтов II Геотехника. 2013. № 2. С. 4-13.
7. Мангушев Р.А., Никифорова Н.С., Конюшков В.В., Осокин А.И. Проектирование и устройство подземных сооружений в открытых котлованах. М.: АСВ, 2013. 256 с.
8. Тер-Мартиросян З.Г., Тер-Мартиросян А.З., Соболев Е.С. Анализ данных геотехнического мониторинга плитных фундаментов большой площади II Геотехника. 2012. № 4. С. 28-34.
9. Малинин А.Г. Исследование физико-механических свойств грунтов бурением разведочной скважины без отбора керна II Жилищное строительство. 2018. № 9. С. 3-6.
10. Тер-Мартиросян З.Г., Струнин П.В. Усиление слабых грунтов в основании фундаментных плит с использованием технологии струйной цементации грунтов II ВестникМГСУ. 2010. № 4-2. С. 310-315.
11. Шешеня Н.Л. Применение струйной цементации для улучшения свойств грунтов II Геотехника. 2012. № 4. С. 34-40.
12. Засорин М.С. Эффективность технологии струйной цементации грунтов II Геотехника. 2017. № 3. С.40-45.
1б| -
цементации будет все реже и реже применяться в проектировании объектов. Проектировщики начнут ее менять на другие, может быть, более дорогие, но более понятные в проектировании технологии.
В создавшейся ситуации строительная компания «ИнжПроектСтрой» уже практически идет в этом направлении. Вместо устройства армированных грун-тоцементных элементов проектировщики компании разрабатывают проекты с применением анкерных конструкции (свай) из теряемых штанг, установленных в грунтовой массив с помощью струйной цементации. А в этом случае уже применяются другие нормативные документы.
References
1. Christian Kutzner. Grouting of Rock and Soil. Rotterdam: Brookfield, 1996.
2. Malinin A.G. Struinaya tsementatsiya gruntov [Jet cementation of soil]. Moscow: Stroyizdat. 2010. 226 р.
3. Ground Improvement. Edited by Klaus Kisch, Alan Bell, CRS Press, 2015.
4. Gian Nico Garzarella. Jet Grouting. Aspetti teorici e pratici. Palermo: D. Flacovio, 2016.
5. Malinin A.G., Gladkov I.L., Zhemchugov A.A. Stabilization of soft ground in embankment base using jet grouting technology. Transportnoe stroitelstvo. 2013. No. 1, pp. 4-7. (In Russian).
6. Malinin P.A., Strunin P.V. A deep excavation construction experience using the jet grouting technology. Geotehnika. 2013. No. 2, pp. 4-13. (In Russian).
7. Mangushev R.A., Nikiforova N.S., Konyushkov V.V., Osokin A.I. Proektirovanie i ustroistvo podzemnykh sooruzhenii v otkrytykh kotlovanakh [Designing and the device of underground constructions in open ditches]. Moscow: ASV. 2013. 256 p.
8. Ter-Martirosyan Z.G., Ter-Martirosyan A.Z., Sobo-lev E.S. Analysis of data of geotechnical monitoring of the slabby bases of the big area. Geotekhnika. 2012. No. 4, рp. 28-34. (In Russian).
9. Malinin A.G. Study of physical-mechanical properties of soil with drilling of trial hole without core sampling. Zhilishchnoe Stroiteistvo [Housing Construction]. 2018. No. 9, pp. 3-6. (In Russian).
10. Ter-Martirosyan Z.G., Strunin P.V. Strengthening weak soils in the basis of foundation slabs with use of technology of jet grouting. Vestnik MGSU. 2010. No. 4-2, pp. 310-315. (In Russian).
11. Sheshenia N.I. Using jet grouting for improvement of soil properties. Geotekhnika. 2012. No. 4, рp. 34-40. (In Russian).
12. Zasorin M.S. Efficiency of jet-grouting for soil stabilization. Geotekhnika. 2017. No. 3, рp. 40-43. (In Russian).
|9'2019
