CC BY
15Определение соответствия пригодности смесей на основе микроцементов в технологии цементации по методу инъекционной пропитки
см см о см
о ш т
X
3
<
т О X X
Баженова Ольга Юрьевна,
к.т.н., доц., Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, [email protected]
Алексеев Вячеслав Андреевич
генеральный директор, ООО «Геоинпро», [email protected]
Закрепление грунтов по технологии инъекционной пропитки является инновационной технологией, позволяющей повышать физико-механические свойства грунтов даже в сложных инженерно-геологических, в условиях плотной городской застройки и без необходимости приостановки эксплуатации здания. Данная технология настоящее время активно получают широкое распространение, в том числе при строительстве заглубленных и подземных сооружений. Несмотря на отсутствие в действующей нормативной документации однозначных критериев зависимостей давления и удельного расхода нагнетания для различных типов грунтов и разнообразных инъекционных смесей при этом накопилось достаточное количество опытных данных для прогнозирования свойств закрепленного грунта. Цель работы заключается в определении оптимальных параметров инъекции и расходов материалов для грунтобетонных массивов с учётом сложных инженерно-геологических условий. Изучение твердеющих систем на минеральной основе в водонасы-щенных грунтах с включениями органических отложений или в условиях высокой фильтрации, имеет ряд особенностей, затрудняющих назначение оптимальных технологий и компонентов растворов на цементной основе для формирования грунтобетонов. Для определения конечных параметров анализировались параметры грунтобетонных массивов на объектах при строительстве метрополитена и гражданского строительства, лабораторные данные при смешивании и инъекции минеральных компонентов и грунтов разных типов, данные научно-технического сопровождения при контроле качестве и приёмке работ. Изучена эффективность достижения проектных физико-технических характеристик грунтобетона с определением оптимальных давлений и расходов для различных типов микровяжущего.
Ключевые слова: грунтоцемент, закрепление грунта, грунтобетон, инъекционная пропитка грунта, микроцемент, особо тонкодисперсное вяжущее, противофильтрационная завеса.
Подземное строительство в условиях городского пространства и повсеместно распространенных сложных грунтовых условиях всегда имеет риски нештатных ситуаций и требует достаточно часто необходимости применения специальных методов работ [1, 2], ввиду особой степени ответственности и наличия жилых зданий, критически важных коммуникаций и сооружений круглосуточной эксплуатации, в.т.ч. при сопряжении новых объектов подземного строительства и строительства вблизи существующих сооружений [3, 4]. В большинстве случаев для предотвращения движений грунтового массива и повышения их устойчивости используется закрепление грунтов [3, 5], среди которых основным способом считается цементации грунтов, ввиду достаточной простоты технологии, однако многие режимы высоконапорной цементации могут вызывать движения грунтового массива и способствовать деформациям зданий и сооружений [6, 7].
Цементационные технологии достаточно широко распространены для закрепления грунтов [3] в строительстве начиная с 80-х годов ХХ века в Японии, Англии, Германии и других развитых странах с момента достижения машиностроительной отраслью возможности создания насосов, транспортной системы и, самое главное, мониторов, способных создавать, прокачивать и инъецировать цементную суспензию [5, 8] под требуемым давлением и с требуемой удельным расходом [8,
9]. Для цементации грунтов была создана и адаптирована т.н. технология инъекционной пропитки грунтов [3,
10], позволяющая повышать физико-механические свойства грунтов без нарушения природной структуры грунта [10, 11]. Также это потребовало серьёзных достижений в материаловедении, т.к. свойства цементной суспензии (обычно на основе специальных микровяжущих - микроцементов) для каждого типа грунтов требуют соответствующего подбора параметров инъекции и характеристик раствора.
Такая технология кардинально отличалась от классических режимов цементации таких нагнетание в там-понажное пространство и напорная цементация (например, в скальных грунтах) [12, 13, 14]. Рассматриваемая технология инъекционной пропитки получила в России широкое распространение, и с течением времени нарабатывался опыт применения [3, 8] этой технологии в грунтах различного генезиса, то постепенно складывалась граничные значения по таким технологическим параметрам, как давление, удельный расход и время обработки точки инъекции грунта [3, 9] на т.н. одном горизонте инъекции в.т.ч. с учетом контроля качества инъекционных суспензий [14] и качественных показателей образуемых грунтобетонных массивов [15]. Все эти параметры оказывают прямое влияние на удельный расход микроцемента и размеры массива закрепленного грунта
[16], но также зависят от характеристик грунта, уровня грунтовых вод, параметров используемой суспензии [17,18]. В свою очередь качественные показатели микроцемента задают ту область применения, которая позволяет адаптировать для возможно приемлемых технологий цементации.
В качестве инъекционного материала брались три образца микроцемента от различных производителей, заявленных как особо тонкодисперсное вяжущее (ОТДВ) со следующими характеристиками: D5o=0,003 мкм, Sуд - более 20000 см2/гр, водовяжущее отношение принималась как 3:1.
Испытания проводились на опытном участке инъецирования (см. рис. 1).
Закрепляемый грунт представлял собой песок средней крупности, влажный, с включениями техногенного грунта.
При анализе параметра инъекции применялись следующие методы:
- практический - на основании опыта работ и теоретических предпосылок работ ряда авторов [3, 7, 9];
-производственный, на основании обобщения и анализа результатов наблюдений и испытаний непосредственно в грунтовых условиях данной строительной площадки, а также действующей нормативной строительно-технологической документации.
Точки инъекции располагались на манжетном инъек-торе с шагом 330 мм. Для лучшей сходимости результатов горизонты нагнетания располагались через зону, с отступом 660 мм. друг от друга.
Были получены результаты по режиму инъекционной пропитки грунта (пески средней крупности), данные были наложены на график с учетом показателей значений давления / удельного расхода по интервалам времени.
Рис. 2. Данные инъекционного нагнетания для микровяжущего типа №1.
Рис. 3. Данные инъекционного нагнетания для микровяжущего типа №2.
Рис. 1. Разрез по инъектору.
На основании анализа отечественного и зарубежного производственного опыта, в качестве бурового раствора использовался заранее приготовленный обоймен-ный раствор, характеризующийся замедленным набором прочности.
Давление инъекции ограничивалось 0,5 МПа, удельный расход - не более 3 л/мин, время нагнетания - 20 минут. При превышении давления 0,5 МПа допускалось поднятие давления до 0,6 МПа при минимальной подаче инъекционной смеси. Если прием при давлении 0,5-0,6 МПа прекращался удельный расход снижался до минимально возможных значений, регулировка велась в ручном режиме.
Рис. 4. Данные инъекционного нагнетания для микровяжущего типа №3.
Следует отметить, что при инъекционном закреплении грунтов постоянно повышенное давление (не менее 0,5 МПа) даже при понижении удельных расходов до 0,5 л/мин говорит о том что такой тип микровяжущего не
I I
О
ГО
>
Л1
I
го гп
о
2
о м м
сч сч о
CS
о ш m
X
<
m О X X
подходит для инъекционном пропитки, нарушении технологии или необходимости адаптации свойств инъекционной смеси на основе такого микровяжущего.
Наблюдаемые результаты характеризовались также некоторым скачком давления, необходимым для разрыва обойменного раствора и отгиба манжеты (порядка 1,0 МПа) - данный скачок в начале процесса инъекции условно не показан.
Нормальность процесса на начальных стадиях нагнетания подтверждается приёмом грунта инъекционных суспензий даже при расходе 3/мин в начале процесса.
В качестве основного критерия оценивалось минимальное давление при максимальном расходе и отсутствие отказов / превышения назначенного максимального давления.
Обобщая всё вышесказанное можно сделать следующие выводы:
1. Для закрепления грунтов по технологии инъецирования (инъекционной пропитки) наиболее важнейшими критериями технологических параметров являются параметры давления и удельного расхода.
2. Наиболее оптимальным инъекционным составом является инъекционная смесь на основе микровяжущего типа №1, где в процессе инъекции не было даже отмечено превышение давления 0,5 МПа. Так для микровяжущих типов №2 и №3 отмечено превышение максимально назначенного давления даже при минимальной удельной подаче смеси.
3. Наиболее недоброкачественным с точки зрения инъекционных свойств является микровяжущее типа №2, т.к. именно при инъекции именно данного состава достаточно быстро (на 5 минуте процесса).
4. Рекомендуется для каждого типа грунта при инъекционном закреплении использовать такой тип микровяжущего (микроцемента), которое позволяет проводить оптимальный процесс инъекции без превышения максимально назначенного давления при максимально возможной скорости подачи (удельного расхода).
Литература
1. Nezhnikova E., 2016. The Use of underground city space for the construction of civil residential buildings. Procedia Engineering, Vol. 165, pp. 1300-1304, https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.11.854.
2. Стругач А.Г., Трифонов А.Г. Встройка вестибюлей метрополитена в исторические здания: опыт Ленинграда и Праги, современные задачи и технологии в контексте формирования безбарьерной среды // Транспортные сооружения. 2020. Т. 7. № 4. С. 5.
3. Argal E.S. Modern technologies and problems of ground stabilization by injection // Soil Mechanics and Foundation Engineering. 2020. Т. 57. № 3. С. 219-226.
4. Ter-Martirosyan A., Sidorov V. The management of stress-strain state of the bases for stabilizing uneven settlements // MATEC Web of Conferences. 2018. С. 03022.
5. Boschi К., di Prisco C.G., Ciantia M.O., 2019. Micromechanical investigation of grouting in soils. International Journal of Solids and Structures, Vol. 187, pp. 121-132, https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2019.06.013.
6. Heidari M., Tonon F., 2015. Ground reaction curve for tunnels with jet grouting umbrellas considering jet grouting hardening. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, Vol. 76, pp. 200-208, https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2015.03.021.
7. M. Axelsson, G. Gustafson. The PenetraCone, a new robust field measurement device for determining the penetrability of cementitious grouts// Tunnelling and Underground Space Technology, Volume 25, Issue 1, January 2010, Pages 1-8. DOI: 10.1016/j.tust.2009.06.004.
8. Katia Boschi, Claudio Giulio di Prisco, Matteo Oryem Ciantia. Micromechanical investigation of grouting in soils // International Journal of Solids and Structures, 15 June 2019. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2019.06.013.
9. Fatiha Bouchelaghem. Multi-scale modelling of the permeability evolution of fine sands during cement suspension grouting with filtration// Computers and Geotechnics, Volume 36, Issue 6, July 2009, Pages 10581071. DOI: 10.1016/j.compgeo.2009.03.016
10. M. Axelsson, G. Gustafson. The PenetraCone, a new robust field measurement device for determining the penetrability of cementitious grouts// Tunnelling and Underground Space Technology, Volume 25, Issue 1, January 2010, Pages 1-8. DOI: 10.1016/j.tust.2009.06.004.
11. Корнеева Е.В. Тампонаж с использованием вторичного минерального сырья // Приволжский научный журнал. 2020. № 2 (54). С. 56-65.
12. Шишкина В.В., Тер-Мартиросян А.З. Нагнетание тампонажного раствора в заобделочное пространство // В сборнике: проблемы и перспективы развития России: молодежный взгляд в будущее. сборник научных статей 2-й Всероссийской научной конференции. Юго-Западный государственный университет; Московский политехнический университет; Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Косты-чева. 2019. С. 291-293.
13. Савченко И.В., Лазебник А.Ю. Разработка технологических схем высоконапорной инъекции с использованием тампонажного пакера В сборнике: Проблемы горного дела. Сборник научных трудов II Международного Форума студентов, аспирантов и молодых ученых-горняков, посвященного 100-летию ДонНТУ. Донецкий национальный технический университет; Институт горного дела и геологии. г. Донецк, 2021. С. 39-43.
14. Муртазаев С.А.Ю., Сайдумов М.С., Муртазаева Т.С.А., Абумуслимов А.С. Влияние тонкомолотых минеральных наполнителей техногенной природы (МНТП) на седиментацию цементных суспензий// В сборнике: Наука и инновации в строительстве. Сборник докладов IV Международной научно-практической конференции. Белгород, 2020. С. 372-379.
15. Тер-Мартиросян А.З., Соболев Е.С. Исследования скорости поперечных волн в грунтоцементе при анизотропном напряженном состоянии // Вестник МГСУ. 2020. Т. 15. № 10. С. 1372-1389.
16. Kozlova I.V., Bespalov A.E., Zemskova O.V. Modified composition for fixing sandy soils // Materials Science Forum. 2020. Т. 992. С. 143-148.
17. F. Bouchelaghem, A. Benhamida, H. Dumontet. Mechanical damage behaviour of an injected sand by periodic homogenization method// Computational Materials Science, Volume 38, Issue 3, January 2007, Pages 473481. DOI: 10.1016/j.commatsci.2005.12.044
18. Michael Galetakis, Christina Piperidi, Anthoula Vasiliou, George Alevizos. Experimental investigation of the utilization of quarry dust for the production of microcement-based building elements by self-flowing molding casting// Construction and Building Materials, Volume 107, 15 March 2016, Pages 247-254. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2016.01.014
19. Samchenko S., Kozlova I., Zorin D. The effect of ultrafine fillers on the properties of cement-sand mortars // В сборнике: Materials Today: Proceedings. International Conference on Modern Trends in Manufacturing Technologies and Equipment, ICMTMTE 2019. 2019. С. 2096-2099.
Determination of the suitability of mixtures based on micro-cements in the technology of cementation by the method of injection impregnation Bazhenovа O. Yu., Alekseev V.A.
National Research Moscow State University of Civil Engineering, Geoinpro LLC
JEL classification: L61, L74, R53
Fixing of soils by injection impregnation technology is an innovative technology that allows improving the physical and mechanical properties of soils even in complex engineering and geological conditions, in conditions of dense urban development and without the need to suspend the operation of the building. This technology is currently actively being widely used, including in the construction of buried and underground structures. Despite the absence in the current regulatory documentation of unambiguous criteria for the dependences of pressure and specific discharge flow for various types of soils and various injection mixtures, a sufficient amount of experimental data has accumulated to predict the properties of fixed soil. The purpose of the work is to determine the optimal injection parameters and material costs for soil-concrete massifs, taking into account complex engineering and geological conditions. The study of mineral-based hardening systems in water-saturated soils with inclusions of organic deposits or in conditions of high filtration has a number of features that make it difficult to assign optimal technologies and components of cement-based solutions for the formation of soil concrete. To determine the final parameters, the parameters of soil-concrete arrays at the facilities during the construction of the subway and civil engineering, laboratory data on mixing and injection of mineral components and soils of different types, data of scientific and technical support during quality control and acceptance of work were analyzed. The efficiency of achieving the design physical and technical characteristics of grunt concrete with the determination of optimal pressures and costs for various types of micro-binder is studied. Keywords: soil cement, soil consolidation, soil concrete, injection impregnation of soil, micro cement, especially fine binder, anti-filtration film. References
1. Nezhnikova E., 2016. The Use of underground city space for the construction of civil residential buildings. Procedia Engineering, Vol. 165, pp. 1300-1304, https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.11.854.
2. Strugach A.G., Trifonov A.G. Building metro lobbies into historical buildings: the experience of Leningrad and Prague, modern tasks and technologies in the context of the formation of a barrier-free environment // Transport structures. 2020. Vol. 7. No. 4. p. 5.
3. Argal E.S. Modern technologies and problems of ground stabilization by injection // Soil Mechanics and Foundation Engineering. 2020. Vol. 57. No. 3. p. 219-226.
4. Ter-Martirosyan A., Sidorov V. The management of stress-strain state of the bases for stabilizing uneven settlements // MATEC Web of Conferences. 2018. p. 03022.
5. Boschi К., di Prisco C.G., Ciantia M.O., 2019. Micromechanical investigation of grouting in soils. International Journal of Solids and Structures, Vol. 187, pp. 121-132, https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2019.06.013.
6. Heidari M., Tonon F., 2015. Ground reaction curve for tunnels with jet grouting umbrellas considering jet grouting hardening. International
10
11
12
13
Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, Vol. 76, pp. 200-208, https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2015.03.021.
M. Axelsson, G. Gustafson. The PenetraCone, a new robust field measurement device for determining the penetrability of cementitious grouts// Tunnelling and Underground Space Technology, Volume 25, Issue 1, January 2010, Pages 1-8. DOI: 10.1016/j.tust.2009.06.004. Katia Boschi, Claudio Giulio di Prisco, Matteo Oryem Ciantia. Micromechanical investigation of grouting in soils // International Journal of Solids and Structures, 15 June 2019. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2019.06.013.
Fatiha Bouchelaghem. Multi-scale modelling of the permeability evolution of fine sands during cement suspension grouting with filtration// Computers and Geotechnics, Volume 36, Issue 6, July 2009, pp. 10581071. DOI: 10.1016/j.compgeo.2009.03.016
M. Axelsson, G. Gustafson. The PenetraCone, a new robust field measurement device for determining the penetrability of cementitious grouts// Tunnelling and Underground Space Technology, Volume 25, Issue 1, January 2010, pp. 1-8. DOI: 10.1016/j.tust.2009.06.004. Korneeva E.V. Tamponage using secondary mineral raw materials // Volga Scientific Journal. 2020. No. 2 (54). pp. 56-65. Shishkina V.V., Ter-Martirosyan A.Z. Injection of grouting solution into the sealing space // In the collection: problems and prospects of Russia's development: a youth perspective on the future. collection of scientific articles of the 2nd All-Russian Scientific Conference. Southwest State University; Moscow Polytechnic University; Ryazan State Agrotechnological University named after P.A. Kostychev. 2019. pp. 291293.
Savchenko I.V., Lazebnik A.Yu. Development of technological schemes of high-pressure injection using a tampon packer In the collection: Problems of mining. Collection of scientific papers of the II International Forum of Students, Postgraduates and Young Mining Scientists dedicated to the 100th anniversary of DonNTU. Donetsk National Technical University; Institute of Mining and Geology. Donetsk, 2021. pp. 39-43.
14. Murtazaev S.A.Yu., Saidumov M.S., Murtazaeva T.S.A., Abumuslimov A.S. Influence of finely ground mineral fillers of technogenic nature (MNTP) on sedimentation of cement suspensions// In the collection: Science and Innovations in construction. Collection of reports of the IV International Scientific and Practical Conference. Belgorod, 2020. pp. 372-379.
15. Ter-Martirosyan A.Z., Sobolev E.S. Studies of the velocity of transverse waves in ground cement under anisotropic stress state // Vestnik MGSU. 2020. Vol. 15. No. 10. pp. 1372-1389.
16. Kozlova I.V., Bespalov A.E., Zemskova O.V. Modified composition for fixing sandy soils // Materials Science Forum. 2020. Vol. 992. pp. 143148.
17. F. Bouchelaghem, A. Benhamida, H. Dumontet. Mechanical damage behaviour of an injected sand by periodic homogenization method// Computational Materials Science, Volume 38, Issue 3, January 2007, pp. 473-481. DOI: 10.1016/j.commatsci.2005.12.044
18. Michael Galetakis, Christina Piperidi, Anthoula Vasiliou, George Alevizos. Experimental investigation of the utilization of quarry dust for the production of microcement-based building elements by self-flowing molding casting// Construction and Building Materials, Volume 107, 15 March 2016, pp. 247-254. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2016.01.014
19. Samchenko S., Kozlova I., Zorin D. The effect of ultrafine fillers on the properties of cement-sand mortars // В сборнике: Materials Today: Proceedings. International Conference on Modern Trends in Manufacturing Technologies and Equipment, ICMTMTE 2019. 2019. pp. 2096-2099.
X X
о
го А с.
X
го m
о
м о м м
