CC BY
7
Современные возможности струйной цементации грунтов
Б.В.Жадановский, А.В.Гранева, С.В.Абрамова Национальный исследовательский Московский государственный строительный
университет, Москва
Аннотация: Технология струйной цементации грунтов - это метод укрепления слабых или сильно обводнённых грунтов в строительстве, заключающийся в нагнетании в скважину цементного раствора под высоким давлением для разрушения структуры грунта и одновременного перемешивании его частиц с цементным раствором. В результате образуется единая грунтоцементная масса, которая обладает заранее заданными улучшенными прочностными и деформационными характеристиками. Технология струйной цементации грунтов имеет большой потенциал для развития и применения в различных отраслях строительства, например, для строительства зданий, дорог, мостов и других сооружений в различных инженерно-геологических условиях. Развитие технологии струйной цементации приведет не только к расширению области ее применения, но и сможет повысить конкурентоспособность на рынке строительных услуг. Ключевые слова: буровая установка, трубчатые анкеры, грунтоцемент, грунтоцементные сваи, струйная цементация грунтов, JetGrouting.
Введение
Технология струйной цементации грунтов является методом укрепления слабых грунтовых оснований для возведения строительных объектов. Данная технология разработана в начале XX века и дальнейшее ее история развития включает в себя следующие этапы:
Первоначальные исследования. В 1920-1930-е годы, инженеры начали исследовать методы укрепления грунтов. Одним из первых этапов было применение бетона для заполнения пустот в грунте. Однако этот метод имел свои ограничения и приводил к неудовлетворительным результатам.
Усовершенствование технологии. В основе методов укрепления грунтов лежит теоретический принцип активного и направленного использования их свойств и процессов, протекающих при укреплении [1]. Одним из таких методов стал метод струйной цементации, развитие которого обусловлено внедрением новых технологий и материалов. К ним относятся
разработка специальных цементов, методов контроля качества цементирования, так же внесение в грунт цементного раствора с использованием струи.
Применение в различных отраслях. С течением времени технология струйной цементации стала иметь широкую область применения в строительной сфере. В первую очередь включает в себя возможность укрепления грунтовых оснований при строительстве подземных сооружений.
Современные возможности струйной цементации грунтов. В настоящее время технология продолжает развиваться, внедряя новые технологии и оборудование для повышения эффективности и безопасности процесса. Также внимание уделяется экологическим вопросам. К основной проблеме относится снижение выбросов паров цемента в окружающую среду.
Основные принципы и методы струйной цементации
Струйная цементация грунтов - это метод, обуславливающий укрепление и уплотнение грунта с помощью высоконапорной струи цементного раствора, за счет размыва цемента и грунта. В результате образуется единая грунтоцементная масса, которая обладает заранее заданными улучшенными прочностными и деформационными характеристиками.
Метод включает следующие этапы:
- Подготовка территории для проведения работ.
- Бурение скважин на проектную глубину.
- Подготовка оборудования для струйной цементации. На данном этапе в скважину опускается струйный монитор, который необходим для разрушения и перемешивания грунта.
- Подача цементного раствора, который заполняет пустоты и образует новый материал - грунтоцемент.
- Очистка территории и завершение работ.
Рис. 1. - Схема производства струйной цементации
Технологическое оборудование и инструментарий
Выбор оборудования зависит от принятого вида струйной цементации
Основной комплект технологического оборудования, необходимый для осуществления струйной цементации грунтов, состоит из буровой установки, цементировочного насоса, автоматизированной миксерной установки, силосов для хранения цемента.
Буровые установки предназначены для образования вертикальных и наклонных скважин, подбираются в зависимости от работы как на открытых строительных площадках, так и в стесненных условиях. Главным требованием является оснащенность автоматизированного подъема колонны с принятой скоростью. Также необходимо устанавливать удлинители, что бы применяемая буровая колонна была равна глубине бурения скважины.
Применение цементировочного насоса является главным этапом в данной технологии. Оно обеспечивает высокую производительность и давление, необходимые для разрушения и перемешивания грунта.
[2].
Миксерные установки обеспечивают равномерное перемешивание цемента с водой для получения грунтоцемента высокого качества. Для этого необходимо учитывать параметры дозирования, оснащенность электронными весами для получения компонентов в точных пропорциях, что влияет на конечные характеристики грунтоцемента. Производительность установки должна быть не менее 15-20 м /час.
Применение струйной цементации в различных условиях
В зависимости от инженерно-геологических условий применяется однокомпонентная, двухкомпонентная или трехкомпонентная технология [3].
При применении однокомпонентной технологии ^П) под струей цементного раствора с напором 400-600 атм. происходит разрушение грунта с последующим его перемешиванием с раствором, в результате чего образуется грунтоцементная колонна диаметром 0,6-1 м. Данная технология является простой, т.к. задействован минимальный комплект оборудования.
Двухкомпонентная технология (М2) струйной цементации представляет собой разрыв, перемешивание и закрепление элементов под действием сжатого воздуха, для чего применяются двойные концентрические полые штанги - для цементного раствора и для сжатого воздуха. В результате образуется грунтоцементная колонна диаметром 1,0-2,0 м.
Трехкомпонетная технология (Jet3) отличается от предыдущих тем, что вначале размывается грунт, под действием воздушной струи образуются полости, которые заполняются цементным раствором, в результате получаются колонны из чистого цементного раствора. На выходе образуется грунтоцементная колонна диаметром до 2,5 м.
Параметры грунтобетона в зависимости от свойств грунта в регионе строительства следующий: расход цементного раствора для укрепления 1 м3г
М Инженерный вестник Дона, №1 (2024) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nly2024/8919
грунта составляет 400-450 л - в суглинках и супесях. В органическом грунте расход повышается до 500-600 л [4].
Таблица № 1
Диаметры грунтоцементных колонн в зависимости от технологии струйной
цементации
Вид грунта Jetl Jet2 Jet3
Глинистый м 0,6 1,2 1,0
Суглинистый м 0,7-0,8 1,5 2,0
Супесчаный м 0,7-0,8 1,5 1,5
Песчаный м 1,0 2,0 2,5
Новые возможности струйной цементации грунтов
Наибольшую эффективность приобретает метод устройства грунтоцементных колонн большого диаметра, при котором снижаются объемы буровых работ, стоимость и сроки строительно-монтажных работ.
Существует три основных разновидности технологии Jet-Grouting [5]. В результате различия параметров для реализации данных методов, диаметр колонн будет отличаться.
В результате анализа таблицы 2, можно сделать вывод, что диаметр колонн зависит от количества используемого цемента. С повышением его расхода, увеличивается диаметр колонн [6].
Так же большое влияние на диаметр грунтоцементных колонн оказывает уровень подачи струи цементного раствора и грунт, который подвергается давлению [7].
В настоящее время в нашей стране возможно получить колонны диаметром 1,2-1,8 м при использовании технологии Jet2. В зарубежной же практике известны случаи достижения диаметра размеров 3,5-3,5 м.
Таблица № 2
Основные параметры технологии струйной цементации грунтов
Параметры технологии Вариант
Те1.1 ТеИ ТегЗ
Вода МПа ПРГ ПРГ 30-50
Давление Цементный раствор МПа 40-60 40-60 4-6
Сжатых воздух МПа не исп. 5-12
Вода Л'МНН ПРГ ПРГ 70-100
Расход Цементный раствор Л'МНН 60-150 150-250 150-250
Сжатых воздух м-- час не исп. 6-18 6-18
Количество Вода шг. ПРГ (1) ПРГ (1) 1-2
сопел Цементный раствор шг. 2-6 1-2 1
Диаметр Вода мы ПРГ (1.6-2.4) ПРГ (1.6-2.4) 1.8-2.5
сопел Цементный раствор мы 1.6-3.0 2.0-4.0 3.5-6.0
Скорость
вращения об/мин 10-30 10-30 1-30
монитора
Время
подъема монитора на сек 4-15 10-20 15-25
4 сы
Диаметр Песчаный грунт ы 0.6-1.0 1.0-2.0 1.5-2.5
колонн Глинистый грунт ы 0.5-1.0 1.0-1.5 1.0-2.0
Примечание: ПРГ-Предварительный размыв грунта. В скобках приведены параметры технологической операции.
Современные возможности позволяют внедрять ^-технологии в различные аспекты струйной цементации грунтов. Сократить время и затраты, повысить эффективность цементации позволяет использование компьютерного моделирования и симуляции, предсказывающие поведение грунта. Данные задачи может выполнить программно-вычислительный комплекс Plaxis 3D [8].
М Инженерный вестник Дона, №1 (2024) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nly2024/8919
Для исследования проводится зависимость неограниченной прочности на сжатие от глубины залегания. В программе используется модель упрочняемого грунта. Сваи моделировались с помощью элемента, учитывающего форму сваи, сопротивление по боковой поверхности и под нижним концом сваи. Далее формируется последовательность расчета, которая включает в себя поэтапное нагружение сваи с определенным шагом.
Модель грунтового основания приведена на (рис.1) [8]. Расположение стержневых элементов представлена на (рис.2)[8].
Рис.2. - Общий вид грунтовой модели
Рис.3. -Эксперимент №1 - одиночная свая В качестве исходных данных выбирается место испытания, описываются классификация, свойства грунтов. В качестве исходных данных
М Инженерный вестник Дона, №1 (2024) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nly2024/8919
выбирается место испытания, описываются классификация, свойства грунтов
[9].
В результате получен график зависимости осадки грунтоцементного элемента от внешней нагрузки (рис.3) [8], на котором видно, что пластичная зона при численном исследовании отсутствует. Также, при незначительных нагрузках, превышаются полевые значения осадки, но после снятия нагрузки остаточные деформации практически идентичны.
о 02 04 0.6
з
0 8 Э ю
о
° 12 14 16
18
2.0 2.2 24
Рис. 4. - Сравнение численного и полевого исследования Возможно дальнейшее регулирование модели до получения приемлемых результатов в связи с наличием расхождения между полевым экспериментом и моделированием по осадке.
Еще одним преимуществом применения 1Т-технологий является автоматизация процесса струйной цементации, позволяя сократить человеческий фактор и повысить точность и надежность выполнения работ, увеличить производительность.
Нагрузка, кН
О 10 20 30 40
—В—Полевой эксперимент
Численное исследование
Устройство самозабуриваемых трубчатых анкеров. Модификацией технологии «Атлант» является ее совмещение с технологией струйной цементации грунтов (jet-grouting) при давлении до 40 МПа.
Для реализации струйной цементации буровая головка состоит из форсунок, а в муфтовое соединение оснащают уплотняющими элементами из алюминия. Данная технология получила название AtlantJet [10], основными преимуществами её применения являются:
Увеличение диаметра свай до 400-700 мм.
Образование большого диаметра свай влияет на рост несущей способности анкера или на его длину.
Применение совмещенной технологии позволило повысить производительность.
Технология «AtlantJet» широко применяется в нашей стране. Например, устройство котлована здания Технопарка ПАО "Сбербанк", Сколково (рис.4-5).
Рис. 5. - Устройство грунтовых анкеров
Рис.6. - Испытание анкеров Заключение
Технология струйной цементации грунтов позволяет получить новый материал - грунтоцемент, деформационные, прочностные характеристики которого во много раз лучше, чем характеристики исходного слабого грунта.
В настоящее время технология применяется во многих странах для строительства зданий, дорог, мостов и других сооружений в различных инженерно-геологических условиях.
Направления для будущих исследований и разработок могут быть следующими:
Область применения. Технология может быть применена не только для укрепления оснований и фундаментов, но и в других целях. Например, для создания гидроизолирующих барьеров, установки опорных стенок.
Улучшение материалов. Вместо цементной смеси для связи с более высокими показателями прочности, долговечности и экологической устойчивости, могут быть использованы композитные материалы или полимеры.
Экологическая устойчивость. Применение экологически чистых материалов способствует уменьшению негативного влияния на окружающую среду.
Уменьшение зависимости человеческого фактора. Автоматизация системы контроля и управления могут увеличить точность и надежность процесса.
Совместное использование с другими технологиями способствует созданию комплексных решений для укрепления и устойчивости грунтов.
Развитие технологии струйной цементации приведет не только к расширению области ее применения, но и сможет повысить конкурентоспособность на рынке строительных услуг.
Литература
1. Кочерга В.Г., Зырянов В.В., Ланко А.В. Применение гидрофобизированных цементогрунтов в нижних слоях дорожной одежды // Инженерный вестник Дона. 2012. №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2 012/853/.
2. Christian Kutzner, Grouting of Rock and Soil //Rotterdam: Brookfid, 1996.271p.
3. Малинин А.Г. Струйная цементация грунтов // М.: «Стройиздат», 2010. 226с.
4. Жадановский Б.В. Грунтоцементные сваи в промышленном и гражданском строительстве // Norwegian Journal of development of the International Science. 2017. №12. URL: calameo.com/read/005798408737248e72 c65/.
5. Jet Grouting: Technology, Design and ControlP. Croce, A. Flora and G. Modoni (eds). 2014. 302p.
6. Малинин А.Г. Новые возможности струйной цементации. 2015.URL: jet-grouting.tilda.ws/.
7. Малинин А.Г. Влияние режимов струйной цементации на диаметр грунтоцементных колонн.2013. URL: jet-grouting.tilda.ws/.
8. Зимин С.С., Мартынов М.В. Численное моделирование полевого эксперимента по усилению грунтов струйной цементацией // Инженерные исследования. 2022. № 2. URL: eng-res.ru/.
9. Al-Kinani A.M., Ahmed M.D. Field study of the effect of jet grouting parameters on strength based on tensile and unconfined compressive strength, 2020. URL: iopscience.iop.org/issue/1757-899X/945/1.
10. И.А. Салмин, П.В. Струнин, Ю.Г. Гульшина. Анкера Атлант Jet при креплении глубокого котлована, 2014. URL: jet-grouting.tilda.ws/.
References
1. Kocherga V.G., Zyryanov V.V., Lanko A.V. Inzhenernyj vestnik Dona. 2012. №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2012/853/.
2. Christian Kutzner, Grouting of Rock and Soil. Rotterdam: Brookfield, 1996. 271p.
3. Malinin A.G. Struynaya tsementatsiya gruntov [Jet cementation of soils]. M.: «Stroyizdat», 2010.226 p.
4. Zhadanovskiy B.V. Gruntotsementnyye svai v promyshlennom i grazhdanskom stroitel'stve. [Soil-cement piles in industrial and civil construction]. Norwegian Journal of development of the International Science. 2017. №12. URL: calameo.com/read/005798408737248e72 c65/.
5. Jet Grouting: Technology, Design and ControlP. Croce, A. Flora and G. Modoni (eds). 2014. 302p.
6. Malinin A.G. Novyye vozmozhnosti struynoy tsementatsii [New possibilities for jet grouting]. 2015. URL: jet-grouting.tilda.ws/.
7. Malinin A.G. Vliyaniye rezhimov struynoy tsementatsii na diametr gruntotsementnykh kolonn[nfluence of jet cementation modes on the diameter of soil-cement columns]. 2013. URL: jet-grouting.tilda.ws/.
8. Zimin S.S., Martynov M.V. Chislennoye modelirovaniye polevogo eksperimenta po usileniyu gruntov struynoy tsementatsiyey [Numerical modeling of a field experiment on strengthening soils using jet grouting]. 2022. URL: jet-grouting.tilda.ws/. URL: eng-res.ru/.
9. Al-Kinani A.M., Ahmed M.D. Field study of the effect of jet grouting parameters on strength based on tensile and unconfined compressive strength. 2020. URL: iopscience.iop.org/issue/1757-899X/945/1.
10. I.A. Salmin, P.V. Strunin, YU.G. Gul'shina. Ankera Atlant Jet pri kreplenii glubokogo kotlovana [Atlant Jet anchors when fastening a deep pit]. 2014. URL: jet-grouting.tilda.ws/.
Дата поступления: 27.11.2023
Дата публикации: 3.01.2024
