CC BY
294
ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ, ПОДЗЕМНЫЕ СООРУЖЕНИЯ. МЕХАНИКА ГРУНТОВ
УДК 624.138
А.М. Голованов, В.И. Пашков*, Г.А. Рево*, Д.В. Пашков*, О.В. Нерчинский*, Р.И. Туренко*
ОАО институт «Ростовский ПромстройНИИпроект», *группа компаний «Геотехника»
ОПЫТ ЗАКРЕПЛЕНИЯ СТРУКТУРНО-НЕУСТОЙЧИВЫХ ГРУНТОВ ЦЕМЕНТАЦИЕЙ
Описан новый комплексный способ цементации грунтов и опыт его применения для усиления основания существующего пятиэтажного жилого дома, сложенного просадочными грунтами, подстилаемыми текучепластичными суглинками. Рассмотрены некоторые проблемы, возникающие при эксплуатации зданий в данных инженерно-геологических условиях, и описана последовательность работ при цементации.
Ключевые слова: закрепление грунтов, основание здания, цементация, инъекционный метод, слабые грунты, просадочные грунты, грунтовый массив, фундаменты.
В строительстве широко распространены методы глубинной обработки грунтов. Их применение позволяет осуществлять мероприятия по повышению несущей способности грунтов в таких инженерно-геологических условиях, когда использование других средств практически невозможно. В частности, необходимость применения инъекционного способа закрепления возникает в случае аварийного состояния уже построенного здания в результате потери несущей способности грунтов основания. С этой проблемой часто сталкиваются в районах распространения просадочных лессовых грунтов.
Под инъекционным закреплением понимают напорное распространение закрепляющего раствора через скважины в грунтовый массив. Выбор типа инъекционного раствора определяется конкретными грунтовыми условиями и задачами, стоящими перед инъекционными работами. Это требует грамотного применения растворов различного вида и различных технологий ведения работ. За рубежом эти вопросы периодически освещаются в трудах конференций [1, 2].
Используемые на практике инъекционные растворы по их составу можно объединить в две группы: суспензионные и химические. Цементные растворы относятся к суспензионным, а широко распространенные растворы на основе силиката натрия — к химическим. Пределы применимости различных растворов определяются свойствами самих растворов и грунтов, а также технологией инъекции [3].
В строительной практике цементация грунтов обычно используется для закрепления и уменьшения водопроницаемости крупнозернистых песков, трещиноватых скальных пород, заполнения карстовых пустот1 [3].
1 СНиП 2.02.01—83*. Основания зданий и сооружений. М. : Госстрой СССР, 1987. СП 22.13330.2011 (актуализированная редакция СНиП 2.02.01—83*). Основания зданий и сооружений. М. : Минрегион России, 2011.
СНиП 3.02.01—87. Земляные сооружения, основания и фундаменты. М. : Госстрой СССР, 1987.
Лессовые грунты, как правило, успешно стабилизируются с помощью различных способов силикатизации: однорастворной, газовой и др. [4]. При этом наиболее успешно закрепляются суглинки (преимущественно просадочные) со степенью влажности S не превышающей 0,5.
Деформации зданий, построенных на просадочных грунтах, бывают связаны с ошибками проектирования, когда нагрузки на грунты определены без учета их просадочных свойств. Деформации также возникают в результате неблагоприятных условий эксплуатации, например, неравномерного локального замачивания основания из-за нарушений в водонесущих коммуникациях и отсутствия водозащитных мероприятий. До недавнего времени [5] единственным способом восстановления эксплуатационной пригодности таких зданий являлся один из видов силикатизации. Но опыт [6—8] показал, что переувлажненные грунты, имеющие степень влажности выше 0,7, закрепляются значительно хуже, чем сухие. В этом случае после закрепления возрастает неоднородность основания по прочностным показателям: слабые зоны закрепляются в 5.. .10 раз меньше по прочности на одноосное сжатие основного показателя закрепления грунтов, чем зоны менее влажных грунтов. В результате разность осадок фундаментов после закрепления грунтов также возрастает, что недопустимо.
Школа закрепления грунтов г. Ростова-на-Дону существует более 50 лет (с 1958 г.). За этот период выполнено усиление грунтов на более чем 5 тыс. объектов. В этот период успешно использовались преимущественно различные методы силикатизации структурно-неустойчивых грунтов (просадочных, насыпных, пылеватых песков) [6, 7].
Более 20 лет назад институт «Ростовский ПромстройНИИпроект» совместно с группой компаний «Геотехника», наряду с другими организациями [9, 10], стал применять цементацию для закрепления грунтов в основании зданий. Оказалось, что закрепление переувлажненных суглинков методом цементации происходит быстрее и дает большую прочность, чем метод силикатизации, т.е. для аварийных зданий первый способ оказался более успешным, чем второй. К тому же стоимость силикатной рецептуры значительно превосходила цементную в эквивалентных объемах. По прочностным показателям закрепленных водонасыщенных грунтов с цементацией могла сравниться газовая силикатизация с предварительной активизацией грунта углекислым газом, но трудозатраты, сроки и стоимость работ при использовании последней возрастали на порядок.
Силикатизация лессовых грунтов достаточно основательно изучена. При цементации аналогичных грунтов специалисты на производстве, исследователи и проектировщики столкнулись с новыми трудностями: недостаточной изученностью области применения, необходимостью использования иного оборудования, отсутствием методов контроля качества и многими другими.
Настоящая статья посвящена описанию опыта усиления основания жилого дома, сложенного просадочными грунтами, которые подстилаются текуче-пластичными суглинками.
Некоторые особенности объекта инъекционных работ. В 2009 г. в период с мая по октябрь производственным подразделением ООО «Геотехника» были выполнены работы по закреплению грунтов в основании фундаментов жилого дома № 16 на улице Майская в г. Ростове-на-Дону.
Это пятиэтажное кирпичное здание, его размеры в плане составляют 12^39 м. Под частью здания имеет подвал, ленточные фундаменты с глубиной заложения подошвы от 1,7 до 2,4 м от поверхности земли. Основанием фундаментов служат просадочные и непросадочные суглинки мягко- и текучепластич-ной консистенции. Грунтовые воды вскрыты на глубине 2,8.3,0 м (рис. 1).
от
Рис. 1. Инженерно-геологический разрез площадки: цифры в кружках-номера
слоев грунта, залегающих под насыпным грунтом; УГВ — уровень грунтовых вод; ур.з. — уровень поверхности земли
Фундаменты здания претерпели неравномерные осадки, что, в свою очередь, вызвало деформации несущих строительных конструкций предположительно в результате неравномерного замачивания грунтов основания из-за подъема уровня грунтовых вод. Стены дома имели множество наклонных и вертикальных трещин с шириной раскрытия до 50 мм.
Факторы, осложнявшие применение известных способов повышения несущей способности грунтов. Для повышения несущей способности, улучшения прочностных и деформационных свойств основания здания и исключения неравномерных осадок при его дальнейшей эксплуатации ООО «Капелла»» был разработан проект закрепления грунтов основания методом цементации.
Проектом предусматривалось закрепление грунтов на глубину 12,2 м от подошвы фундамента. Работы должны были производиться в несколько заходов по высоте. Но уже на первых этапах производства работ стало ясно, что в проекте были допущены ошибки. Проектировщики недооценили влияние того, что в непосредственной близости от подошвы фундамента (на глубине 1.5 м от нее) находится слой текучепластичных суглинков, мощностью более 2,5 м.
Метод цементации глинистых грунтов малой проницаемости основан на получении вертикальных полостей разрывных нарушений, заполненных це-ментно-песчаным материалом с высокой прочностью. Армирование грунта происходит за счет образования полостей разрывов, которые возникают в массиве грунта в начальный момент инъекции, когда давление нагнетания превышает величину одного из главных напряжений в зоне тампонажных работ. В обычных условиях такой величиной является значение одного из главных напряжений в горизонтальной плоскости зоны инъекции. Плоскость разрыва образуется перпендикулярно минимальному главному напряжению, что и определяет вертикальный характер ориентации полостей разрывных нарушений в грунте. После возникновения полостей разрыва они становятся проводниками инъекционного раствора, а дальнейшее отжатие воды из цементно-песчаного материала под давлением приводит к формированию вертикальных плоскостей, заполненных высокопрочным цементным камнем. При использовании этого метода инъекции для лессовых грунтов с целью их армирования и, соответственно, повышения несущей способности, толщина полостей разрывов, заполненных цементным материалом, изменяется в пределах 40.. .80 мм.
При проведении инъекционных работ на описываемом объекте не удалось сформировать полости разрывных нарушений в текучепластичных суглинках слоя 3 (см. рис. 1). Соответственно, не были получены армирующие полости, заполненные цементным материалом, из которого отжата водная фаза. Основная причина, определившая такой результат, заключалась в том, что те-кучепластичный грунт выдавливался закачиваемым инъекционным раствором при давлениях инъекции меньше давлений, ведущих к формированию разрывных полостей. В связи с этим закачиваемый цементно-песчаный раствор замещал практически в том же объеме текучепластичный грунт без изменения исходного соотношения твердой и жидкой фазы.
Таким образом, для данных грунтовых условий традиционные методы производства работ оказались неподходящими. На практике цементно-песча-ный раствор, попадая в зону текучепластичных суглинков и находясь под высоким давлением от сооружения, мигрировал за пределы зоны закрепления. Повторные закачки повышенных объемов закрепляющего раствора также оказались неэффективными. Проведенные на объекте исследования показали, что закачиваемый в грунт цементно-песчаный раствор обнаруживался в выработках на расстоянии более четырех метров от точки инъекции.
Осадки здания продолжались. Геодезические наблюдения свидетельствовали об усилении деформации грунтов: в некоторых частях здания скорость осадки составляла 2 мм в сутки (рис. 2).
Анализ сложившейся на объекте ситуации определил необходимость разработки новой технологии производства работ, позволяющей повышать несущую способность основания сооружения в инженерно-геологических условиях, определяемых наличием текучепластичных литологических разностей.
Предложенный и внедренный комплексный способ повышения несущей способности грунтов. Суть разработанного решения заключалась в создании условий для резкого снижения возможности вытеснения текучепластичного суглинистого материала закачиваемым раствором при проведении инъекционных работ.
Рис. 2. Эпюры осадок здания: вертикальные оси на графиках — осадки продольных стен здания, мм; горизонтальные оси — расстояние вдоль продольных стен здания, номера осадочных марок
Для достижения поставленных условий было принято решение выполнить законтурный ряд из буроинъекционных свай по периметру здания, назначение которого — препятствовать миграции цементного раствора за пределы зоны закрепления. Буронабивные сваи были устроены с шагом, который не превышал двух их диаметров, а инъекционные скважины проходили между фундаментом и буронабивными сваями (рис. 3). В этом случае закрепляющий раствор оказался в напряженной зоне грунтового основания, значительно улучшая его прочностные свойства. Инъецируемый раствор при этом включил в работу и буронабивные сваи, ставшие после затвердевания составной частью армирующих грунт элементов.
Работы по разработанной технологии, помимо описанного объекта, проведены при усилении грунтов под фундаментной плитой 16-этажного жилого дома в г. Ростове-на-Дону по Коммунистическому проспекту, 30/1. Здесь
ВЕСТНИК
МГСУ-
8/2013
осадки здания прекратились уже через сутки после цементации. После окончания инъекционных работ закрепленные массивы были вскрыты шурфами для детального изучения. Помимо шурфов, контроль прочности закрепления был выполнен с помощью зондирования в десяти точках. Результаты исследований показали отличные прочностные характеристики закрепленного массива.
Дальнейшие три года эксплуатации закрепленных зданий подтвердили эффективность использования комбинированного способа усиления слабых структурно-неустойчивых грунтов, в т.ч. и плывунных, с созданием законтурного ряда буроинъекционных свай и инъекциями цементного раствора.
Рис. 3. Схематический разрез основания дома с указанием расположения инъекционных скважин и закрепленных массивов
Выводы и рекомендации. 1. При усилении грунтов основания интенсивно оседающих зданий (более 1 мм в сутки) необходимо использовать комбинированные способы усиления грунтов, добиваясь при этом обязательной доставки закрепляющих растворов в деформированную зону основания.
2. При обнаружении в основании (в сжимаемой толще) текучепластич-ных грунтов необходимо в обязательном порядке предварительно производить опытное закрепление грунтов с их последующими штамповыми испытаниями.
3. При наличии текучепластичных грунтов в зоне инъекционных работ оценка характера распространения раствора должна проводиться с учетом зависимости расхода закачиваемого материала от давления, что позволяет установить формирование разрывных нарушений и определить критическое давление инъекции.
Библиографический список
1. Balkema A.A. Grouting and Deep Mixing // Proceedings of the Second International Conference on Ground Improuvment Geosystems (Tokyo). Rotterdam, 1996. 795 p.
2. Mitchell J.K., Katti R.K. Soil Improuvment — State-of-the-Art (Preliminary) // Proceedings of the 10th Conf. on Soil Mech. And Found. Stockholm: Engng, 1981. Vol. 4. Рр. 261—317.
3. Wintercorn H.F., Pamukcu S. Soil Stabilization and Grouting // Foundation Engineering Handbook (2nd edn). H.-Y.Fang - ed. N.-Y. : Van Nostrend Reindhold, 1991. pp. 317—378.
4. Аскалонов В.В. Силикатизация лессовых грунтов. М. : Госстройиздат, 1959. 78 с.
5. Голованов А.М., Пашков В.И., Рево Г.А. Опыт закрепления просадочных и насыпных грунтов оснований фундаментов зданий и сооружений цементацией // Сборник научных трудов / ОАО институт «Ростовский ПромСтройНииПроект». Ростов-на-Дону, 2004. С. 68—71.
6. Ржаницин Б.А. Некоторые итоги работ в области химического закрепления грунтов // Закрепление и уплотнение грунтов в строительстве // Материалы VIII всесоюзного совещания. Киев, 1974. С. 109—111.
7. Соколович В.Е., Чаликова Е.С., Вебер И.Б. Повышение эффективности силикатизации лессовых грунтов // Материалы V совещания по закреплению и уплотнению грунтов. Новосибирск, 1966. С. 330—333.
8. Развитие инъекционного закрепления как одного из основных методов технической мелиорации грунтов / В.И. Сергеев, Т.Г. Шимко, М.Л. Кулешова, Н.Ю. Степанова // Инженерная геология. 2012. № 4. С. 6—13.
9. Голованов А.М., Пашков В.И., Сергеев В.И. Способ закрепления грунта: патент на изобретение № 2103441 Рос. Федерация. Заявл. 07.06.96; опубл. 27.01.98 // Бюллетень изобретений и открытий. 1998. № 3.
10. Исаев Б.Н., Бадеев С.Ю., Цапкова Н.Н. Способ подготовки основания: патент на изобретение № 2122068 Рос. Федерация. Заявл. 28.06.95; опубл. 20.11.98 // Бюллетень изобретений и открытий. 1998. № 32.
Поступила в редакцию в июне 2013 г.
Об авторах: Голованов Александр Михайлович — кандидат технических наук, заслуженный изобретатель РСФСР, заведующий отделением «Основания и фундаменты», ОАО институт «Ростовский ПромстройНИИпроект», 344006, г. Ростов-на-Дону, пр. Ворошиловский, д. 2/2, geo@aaanet.ru;
Пашков Валерий Иванович — кандидат геолого-минералогических наук, директор, группа компаний «Геотехника», 344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Восточная, д. 51/а, корп. 55, geo@aaanet.ru;
Рево Галина Алгирдасовна — исполнительный директор, группа компаний «Геотехника», 344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Восточная, д. 51/а, корп. 55, geo@aaanet.ru;
Пашков Денис Валерьевич — заместитель директора, группа компаний «Геотехника», 344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Восточная, д. 51/а, корп. 55, geo@aaanet.ru;
Нерчинский Олег Владимирович — ведущий инженер, группа компаний «Геотехника», 344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Восточная, д. 51/а, корп. 55, geo_oleg@ mail.ru;
Туренко Роман Игоревич — главный инженер, группа компаний «Геотехника», 344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Восточная, д. 51/а, корп. 55, geo7@aaanet.ru.
Для цитирования: Опыт закрепления структурно-неустойчивых грунтов цементацией / А.М. Голованов, В.И. Пашков, Г.А. Рево, Д.В. Пашков, О.В. Нерчинский, Р.И. Туренко // Вестник МГСУ 2013. № 8. С. 59—66.
A.M. Golovanov, V.I. Pashkov, G.A Revo, D.V. Pashkov, O.V. Nerchinskiy, R.I. Turenko
CASE STUDY OF STABILIZATION OF STRUCTURAL-UNSTABLE SOILS USING
GROUTING
More than 20 years ago, Rostov-based Promstroyniiproekt Institute (Research and Development Institute for Industrial Engineering), backed by Geotechnika group of companies and other organizations, commenced using cement grouting to stabilize soil as part of foundation soils of buildings. It has turned out that consolidation of water saturated by clay accelerates grouting and assures higher strength than the silicification method. The article describes a new method of grouting and a case study of grouting stabilization of the foundation soil of a five-storey residential house, made by subsiding soils and subjacent fluid-plastic clay loams.
The work was complicated by the fact that clay was displaced by the cement-sand mortar injected at the pressure insufficient for formation of discontinuous cavities. In these circumstances, the team of researchers developed and implemented an integrated solution to avoid clay clustering under the influence of the injected grout.
The authors consider problems arising in the course of operation of buildings in the above geotechnical environment and describe the sequence of grouting operations. The article includes the work performance pattern and patterns of building control.
Key words: soil foundation, building foundation, soil stabilization, cementation, grouting, injection method, loose soils, soil massif, foundations.
References
1. Balkema A.A., Grouting and Deep Mixing. Proceedings of the Second International Conference on Ground Improvement Geosystems (Tokyo). Rotterdam, 1996, 795 p.
2. Mitchell J.K., Katti R.K. Soil Improvement - State-of-the-Art (Preliminary). Proceedings of the 10th Conf. on Soil Mech. and Found. Stockholm, Engng, 1981, vol. 4, pp. 261—317.
3. Wintercorn H.F., Pamukcu S., Fang H.-Y., editor. Soil Stabilization and Grouting. Foundation Engineering Handbook. Van Nostrend Reindhold, 1991, p. 317—378.
4. Askalonov V. V Silikatizatsiya lessovykh gruntov [Silicification of Loessial Soils]. Moscow, Gosstroyizdat Publ., 1959.
5. Golovanov A.M., Pashkov V.I., Revo G.A. Opyt zakrepleniya prosadochnykh i nasypnykh gruntov osnovaniy fundamentov zdaniy i sooruzheniy tsementatsiey [Case Study of Soil Silicification of Subsiding and Filled Foundation Soils of Buildings and Structures Using Grouting]. Sbornik nauchnykh trudov [Collection of Research Works]. Rostov-on-Don, OAO Institut "Rostovskiy PromStroyNiiProekt" Publ., 2004., pp. 68—71.
6. Rzhanitsin B.A. Nekotorye itogi rabot v oblasti khimicheskogo zakrepleniya gruntov [Particular Findings of Works in the Field of Chemical Stabilization of Soils]. Zakreplenie i uplotnenie gruntov v stroitel'stve [Stabilization and Compaction of Soils in the Construction Industry]. Materialy VIII vsesoyuznogo soveshchaniya [Materials of the 8th All-Union Conference]. Kiev, 1974, pp. 109—111.
7. Sokolovich V.E., Chalikova E.S., Veber I.B. Povyshenie effektivnosti silikatizatsii lessovykh gruntov [Improvement of Efficiency of Silicification of Loessial Soils]. Materialy V soveshchaniya po zakrepleniyu i uplotneniyu gruntov [Materials of the 5th Conference on Soil Stabilization and Compaction]. Novosibirsk, 1966, pp. 330—333.
8. Sergeev V.I., Shimko T.G., Kuleshova M.L. Stepanova N.U. Razvitie in"ektsionnogo zakrepleniya kak odnogo iz osnovnykh metodov tekhnicheskoy melioratsii gruntov [Development of Injection Grouting as a Main Method of Engineering Amelioration of Soils]. Inzhener-naya geologiya [Engineering Geology]. 2012, no. 4, pp. 6—13.
9. Golovanov A.M., Pashkov V.I., Sergeyev V.I. Sposob zakrepleniya grunta: patent na izobretenie № 2103441 [Method of Soil Stabilization. Patent for Invention no. 2103441]. Ap-
plication filed: June 07, 1998; published on January 27, 1998. Byulleten'izobreteniy i otkrytiy [Bulletin of Inventions and Discoveries]. 1998, no. 3.
10. Isaev B.N., Badeev S.Yu., Tsapkova N.N. Sposob podgotovki osnovaniya: patent na izobretenie № 2122068 [Method of Preparation of Foundation Soil. Patent for Invention no. 2122068]. Application filed: June 28, 1995; published on November 20, 1998. Byulleten' izobreteniy i otkrytiy [Bulletin of Inventions and Discoveries]. 1998, no. 32.
About the authors: Golovanov Aleksandr Mikhailovich — Candidate of Technical Sciences, Honoured Inventor of the Russian Soviet Federal Socialist Republic, Director, Department of Foundation Soils and Foundations, Rostov Research and Development Institute for Industrial Engineering, 2/2 pr. Voroshilovskiy, Rostov-on-Don, 344006, Russian Federation; geo@aaanet.ru;
Pashkov Valeriy Ivanovich — Candidate of Technical Sciences, Director, Geotekhnika Group of Companies, Building 55, 51/a Vostochnaya st., 344022, Rostov-on-Don, Russian Federation; geo@aaanet.ru;
Revo Galina Algirdasovna — Executive Director, Geotekhnika Group of Companies, Building 55, 51/a Vostochnaya st., 344022, Rostov-on-Don, Russian Federation; geo@ aaanet.ru;
Pashkov Denis Valer'evich — Deputy Director, Geotekhnika Group of Companies,
Building 55, 51/a Vostochnaya st., 344022, Rostov-on-Don, Russian Federation; geo@ aaanet.ru;
Nerchinskiy Oleg Vladimirovich — Leading Engineer, Geotekhnika Group of Companies, Building 55, 51/a Vostochnaya st., 344022, Rostov-on-Don, Russian Federation; geo_oleg@mail.ru;
Turenko Roman Igorevich — Chief Engineer, Geotekhnika Group of Companies,
Building 55, 51/a Vostochnaya st., 344022, Rostov-on-Don, Russian Federation; geo7@ aaanet.ru.
For citation: Golovanov A.M., Pashkov V.I., Revo G.A., Pashkov D.V., Nerchinskiy O.V., Turenko R.I. Opyt zakrepleniya strukturno-neustoychivykh gruntov tsementatsiey [Case Study of Structural-Unstable Soils Stabilization Using Grouting] Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 8, pp. 59—66.
