Строительно-технологические особенности применения струйной цементации грунтов при устройстве противофильтрационных завес Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Подземное строительство

------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

Научно-технический и производственный журнал

УДК 624

И.Я. ХАРЧЕНКО1, д-р техн. наук; О.В. БОГОМОЛОВА2, канд. техн. наук

1 Научно-инженерный центр по освоению подземного пространства (НИЦ ОПП) ОАО «МОСИНЖПРОЕКТ» (101990, Москва, Сверчков пер., 4/1) 2 ООО «НПО Космос» (105118, Москва, ш. Энтузиастов, 38)

Cтроительно-технологические особенности применения струйной цементации грунтов при устройстве противофильтрационных завес

Обобщен и проанализирован опыт практического применения различных методов струйной цементации грунта при устройстве противофильтрационных завес. Установлено, что для гарантированного обеспечения их сплошности проектный диаметр грунтоцементного массива необходимо назначать с учетом глубины и возможного отклонения оси скважины по глубине бурения. Кроме того, необходимо обеспечивать строгий контроль на всех технологических переделах.

Ключевые слова: струйная цементация грунта, грунтоцементная свая, манжетная технология, комбинированная цементация.

I.Ya. HARCHENKO1, Doctor of Technical Sciences, O.V. BOGOMOLOVA2, Candidate of Technical Sciences 1 Scientific and engineering center for development of underground space (NITS OPP), OAO "MOSINZHPROEKT" (4/1 Sverchkov lane, 101990 Moscow, Russian Federation) 2 JSC "NPO Kosmos" (38 Entuziastov Hwy, 105118 Moscow, Russian Federation)

Building and technological features of the use of cement grout jetting of soils at arrangement of anti-filtering curtains

An experience in the practical application of various methods of cement grout jetting of soils, when arranging the anti-filtering curtains, is generalized and analyzed. It is established that for guaranteed ensuring their continuity, the designed diameter of soil-cement massif should be established with due regard for the depth and a possible borehole deviation along the drilling depth. In addition it is necessary to ensure the strict control at all technological conversions.

Keywords: cement grout jetting of soil, earth-cement pile, full-hole technique, combined cementation.

Освоение подземного пространства в условиях плотной городской застройки часто связано с необходимостью устройства котлованов, дно которых расположено существенно ниже уровня грунтовых вод. При учете влияния строящихся подземных сооружений на окружающую застройку следует исходить из того, что применение каких-либо методов водопонижения в этих условиях недопустимо. Следовательно, единственно приемлемым методом защиты от грунтовых вод является устройство вертикальных и горизонтальных противофильтрационных завес (ПФЗ). Проектирование и выполнение работ по устройству ПФЗ должно исходить из условия исключения рисков водопро-явления или выноса грунта как в зоне сопряжения вертикальных и горизонтальных ограждающих конструкций, так и по их площади либо задать проектом критерии сплошности, прочности и водонепроницаемости.

В настоящее время как за рубежом, так и на отечественном строительном рынке при устройстве ПФЗ достаточно широкое применение получила технология струйной цементации грунтов (СЦГ), сущность которой состоит в формировании грунтоцементного массива путем интенсивного смешивания частиц грунта и цементно-водной суспензии. Нагнетаемая через форсунку вращающегося монитора под давлением 40-60 МПа струя цементно-водной суспензии разрезает, диспергирует структуру и частично замещает грунт, образуя грунтоцементную смесь, которая после затвердевания обеспечивает формирование грунтоцементно-го массива (ГЦМ). В настоящее время широкое практическое применение получают различные методы струйной цементации грунтов, такие как: однокомпонентная струйная цементация (Jet-1), когда через форсунку нагнетается струя цементно-водной суспензии; двухкомпонентная цемента-

Некоторые технологические параметры при различных методах струйной цементации

Таблица 1

Наименование технологического параметра Вид струйной цементации

Jet-1 Водоцементная суспензия Jet-2 Водоцементная суспензия+воздух Jet-3 Водоцементная суспензия+вода+воздух

Давление подачи инъекционного раствора, МПа 20-60 30-50 30-70

Расход инъекционного раствора, л/мин 50-200 70-200 70-200

Скорость вращения монитора, об/мин 10-30 7-15 5-15

Скорость подъема монитора, см/мин 10-30 5-20 5-15

Расход цемента, кг/м3 сваи 500-1000 300-900 300-900

301 32014

Научно-технический и производственный журнал

-------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

Подземное строительство

Таблица 2

Усредненные параметры грунтоцементных массивов при струйной цементации различных грунтов

Вид грунта в соответствии с ГОСТ 25100 Jet-1 Jet-2

Диаметр сваи, м Прочность при сжатии, МПа Диаметр сваи, м Прочность при сжатии, МПа

Глина 0,4-0,5 6-8/3-4 0,8-1 2-3/1-2

Суглинок 0,5-0,6 8-10/4-5 1-1,2 3-4/2-3

Супесь, пылеватый песок 0,6-0,7 10-12/5-6 1,2-1,6 4-5/2-4

Песок средней крупности, крупный 0,7-0,9 12-14/6-7 1,6-1,8 6-7/4-5

Песок гравелистый 0,9-1 14-18/7-10 1,8-2,2 7-8/5-6

Примечание. Перед чертой - прочность при В/Ц=0,7; после черты - прочность при В/Ц=1.

ция когда через форсунки вращающегося монито-

ра одновременно нагнетается цементно-водная суспензия и подается струя воздуха (или воды); трехкомпонентная цементация когда через форсунки монитора обеспечивается одновременная подача струи цементно-водной суспензии, воздуха и воды. Каждая из вышеназванных модификаций струйной цементации имеет оптимальную область применения при решении тех или иных геотехнических задач с учетом конкретных геологических условий. На основании анализа многолетнего отечественного и зарубежного опыта практического применения в табл. 1 и 2 приведены некоторые строительно-технологические параметры струйной цементации грунтов для решения различных геотехнических задач [1, 2].

Как видно из табл. 1 и 2, в зависимости от вида закрепляемого грунта и применяемого метода струйной цементации формируемый расчетный диаметр грунтоце-ментной сваи (ГЦС) и прочностные характеристики закрепленного грунта могут изменяться в достаточно широком диапазоне. Такие технологические параметры, как давление, скорость вращения и подъема монитора, в значительной мере определяют диаметр и сплошность формируемого грунтоцементного элемента. При этом прочностные и деформативные характеристики, а также коэффициент фильтрации сформированного ГЦМ в определяющей мере зависят от величины В/Ц, активности цемента, вязкости цементно-водной суспензии, которая может регулироваться путем введения различных пластифицирующих добавок.

В настоящее время в струйной технологии для прогнозирования прочности грунтобетона предлагается использование зависимости его прочности от В/Ц [1] с учетом влияния влажности и пористости грунта, которая в обобщенном виде может быть представлена в виде:

fí„,=10

г. И/ V-W 1 1 2,45(1-Пгр-0,01^-10^(1-1)

(1-ПГр)(ц)

(1)

Для сухих грунтов при № =0 формула может быть пред-

ставлена в виде [1]:

flc = (ff

1 'Г1

2,2 Ц

0,0003 Ц

t

(2)

где Яш - прочность грунтобетона на влажном грунте; Яс - на сухом грунте; Ц - содержание цемента в грунтобетоне, кг/м3; дц, дв - плотность зерен цемента и воды, кг/м3; Пгр - пористость исходного грунта, м3/м3; №гр - влажность грунта, мас. %.

Однако получаемая расчетным путем прочность грунтобетона, как правило, лишь в некоторой степени соответ-

ствует фактической прочности грунтобетона для несвязных грунтов и существенно отличается от фактических результатов для связных. В реальных условиях грунтовая колонка, как правило, неоднородна и обрабатываемая зона представляет собой слоистую структуру из песков, суглинков, супесей и пр. Представление любого грунта как несвязного, отличающегося только влажностью и пористостью, заполняемой водой или водоцементным раствором, не учитывает, что связный грунт может также содержать частицы грунта в виде агрегатов, где вода находится в связанном состоянии и ее нельзя рассматривать как свободную воду. Это принципиально отличает развитие процессов структу-рообразования, протекающих при твердении грунтоцемент-ной смеси после струйной цементации, от классической технологии бетонов и затрудняет применение известных в технологии бетонов закономерностей с целью прогнозной оценки прочности грунтобетона. В этой связи расчетные показатели на основе свойств грунтов в обязательном порядке должны подтверждаться результатами опытных полевых испытаний, что является основой для соответствующей корректировки технологического регламента. При этом расчетную величину прочности необходимо корректировать с учетом активности применяемого цемента. Это особенно актуально в связи с тем, что для цементноводных растворов с В/Ц=0,8-1 и выше характерна низкая седиментаци-онная устойчивость. Как показывают результаты полевых испытаний, при формировании ПФЗ на основе цементно-водных суспензий с В/Ц выше 0,8 в верхней зоне грунтоце-ментного массива может образовываться водный слой толщиной до 20% от проектной толщины ПФЗ, наличие которого существенно ухудшает ее противофильтрационные свойства. С целью повышения седиментационной устойчивости и улучшения реологических свойств инъекционного материала в состав цементно-водной суспензии рекомендуется вводить активированный бентонитовый порошок в количестве до 10% от массы цемента. Присутствие бентонита существенно снижает водоотделение и улучшает противо-фильтрационные свойства грунтобетонного массива, но одновременно с этим снижает его прочностные характеристики и существенно увеличивает время схватывания грунто-цементной смеси.

К сожалению, в связи с многофакторностью геотехнических условий и задач, в том числе и при устройстве ПФЗ различного вида, в настоящее время отсутствуют методы расчета отдельных технологических параметров и их назначение основывается на практическом опыте. В этом смысле СЦГ является технологией с определенными факторами риска, которые следует минимизировать за счет применения соответствующих технологических мероприятий, направленных на их снижение или полное устранение. Реа-

32014

31

Подземное строительство

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

лизация этих мероприятий может быть связана с дополнительными затратами, однако их цена несоизмеримо ниже затрат по борьбе с водопроявлениями после завершения работ по устройтву ПФЗ.

В этой связи следует выделить риск возможного отклонения оси скважины от вертикали в процессе бурения, поскольку современное состояние буровой и контрольно-измерительной техники не позволяет обеспечить отклонение оси скважиы от вертикали меее 0,5-1,5%. Однако как показывает анализ, с учетом фактических условий бурения, квалификационного уровня исполнителей и технологического уровня бурового комплекса величина фактического отклонения вертикальной оси скважины от проектной может достигать 5% и более. Обобщение моноголет-него опыта практического применения струйной цементации грунтов [3-5] позволило установить взаимозависимость между глубиной бурения и расчетным диаметром ГЦС, достижение которого обеспечивается с учетом технологически допустимого отклонения вертикальной оси скважины [3] (рис. 1). Как видно из приведенного рисунка, даже при минимально возможном отклонении оси скважины от вертикали в 1-1,5% при глубине скважины 20-25 м расчетный диаметр ГЦС, обеспечивающий необходимую сплошность массива грунта при устройстве ПФЗ, должен быть 1,5-2 м. Поэтому указание некоторых специалистов на необходимость обеспечения расчетного диаметра ГЦС до 3 м [4] с целью экономии затрат на буровые работы является технически и экономически необоснованным. С целью экономии общих приведенных затрат следует стремиться не к увеличению диаметра отдельной ГЦС, а к повышению уровня контроля на всех технологических переделах.

Одним из факторов, определяющих качество ПФЗ, является гарантированная сплошность массива. При этом если сплошность ПФЗ в вертикальной проекции обеспечивается подбором режима подъема форсунок, то сплошность массива по горизонтали зависит от схемы и шага расстановки ГЦС. При их шахматном расположении и общепринятом шаге между скважинами в ряду, принимаемом 1^, а также при расстоянии между смежными рядами гарантированное наложение между соседними ГЦМ составит 100-200 мм (Рекомендации по закреплению песчаных грунтов. НИИОСП, М., 1972.). Как было отмечено выше, чем глубже бурение, тем больше составляет вероятность отклонения бурового инструмента от вертикали с увеличением глубины бурения. В соответствии с действующими нормами отклонения от вертикали не должны превышать 0,5% (СП 45.13330.2010 «Земляные сооружения, основания и фундаменты»). Таким образом, например, на глубине 30 м проектное отклонение составляет 150 мм и при одновременном отклонении двух соседних скважин суммарное отклонение составит 300 мм. Так как 300 мм > 200 мм, получаем гарантированное отсутствие сплошности ПФЗ. На основании обобщения и анализа фактического материала по контролю за отклонениями бурового инструмента в реальных условиях производства работ установлено, что при отклонении до 1,1% на глубине 30 м оно составит 330 мм, или 660 мм при одновременном отклонении двух соседних скважин (рис. 2). Таким образом, для гарантированного обеспечения сплошности ПФЗ в проекте необходимо предусматривать наложение между соседними ГЦМ 700 мм. Это технически сложно реализо-

32| -

ф г сс

^ о_I_I_I_I_I_I_I_

5 10 15 20 25 30 35 40 Глубина бурения, м

Рис. 1. Взаимозависимость между глубиной бурения и расчетным диаметром грунтобетонного массива с учетом допустимого технологического отклонения вертикальной оси скважины [3]: 1 - 3%; 2 - 2,5%; 3 - 2%; 4 - 1,5%; 5 - 1%; 6- 0,5%

Север

Рис. 2. Примеры отклонений от вертикали скважин при устройстве вертикальных ГЦЭ глубиной до 27 м в натурных условиях

вать при технологии Jet-1 (расчетный диаметр 800 мм), и ведет к удорожанию работ при технологии Jet-2 (расчетный диаметр 1500 мм). Таким образом, при проектировании вертикальных ПФЗ необходимо предусматривать не менее двух рядов ГЦМ, а при использовании горизонтальных ПФЗ следует назначать рабочую толщину ПФЗ не менее 2-4 м, что обеспечит гарантированное соединение по вертикали между соседними ГЦС.

Исходя из анализа отечественного и зарубежного опыта с достаточной достоверностью можно прогнозировать формирование ГЦС диаметром до 0,7 м при однокомпо-нентной и до 1,6-1,8 м при двухкомпонентной цементации. Увеличение диаметра колонн сверх этих величин связано с высоким уровнем риска недостижения проектных геометрических и физико-механических параметров грунтобетонного массива. При устройстве ПФЗ расстояние между осями соседних свай устанавливается исходя из проектного диаметра. При этом с увеличением глубины бурения скважин пропорционально необходимо увели-

^^^^^^^^^^^^^^ 32014

Научно-технический и производственный журнал

Подземное строительство

чивать расчетный диаметр формируемого грунтобетонно-го массива.

С целью повышения водонепроницаемости и прочности грунтоцементного массива при устройстве ПФЗ в особо сложных инженерно-геологических условиях специалистами Научно-исследовательского и проектного института транспортных сооружений (НИиПи ТС) в составе ОАО «Мос-инжпроект» совместно с ООО «ГорГеоСтрой» разработан и освоен метод комбинированной цементации грунтов, основанный на совмещении технологии двухкомпонентной струйной цементации (Jet-2) и пропиточной технологии цементации грунтов, получившей название Super Jet. Это позволяет совместить высокую интенсивность производства работ, являющуюся существенным преимуществом двух-компонентной струйной цементации, с необходимостью придать закрепляемому массиву повышенную прочность и непроницаемость, которая гарантированно достигается применением пропиточной технологии цементационного закрепления грунта.

Комбинирование технологий происходит в следующей последовательности:

- двухкомпонентная струйная цементация массива грунта по технологии Jet-2;

- погружение в скважину, через которую производилось формирование грунтоцементного массива, манжетной трубы (из труб ПВХ диаметром 50 мм) с шагом разжимных манжет 330 мм (3 горизонта на 1 м высоты колонны). Погружение манжетной трубы на проектную глубину производится вручную в интервале 30-90 мин после окончания формирования сваи;

- выстойка грунтоцементного массива до завершения процесса формирования структурной прочности в период до 48 ч после окончания формирования сваи;

- пропиточная инъекция грунтоцементного массива по горизонтам манжетной трубы снизу вверх (с использованием двустороннего шлангового обтюратора) суспензией тонкодисперсного вяжущего, например Mikrodur R-Х с водовяжущим отношением В/В = 3-4 в зависимости от требуемой прочности. Объем инъекции на 1 м3 грунто-цементного массива рассчитывается из объема его по-рового пространства и составляет, как правило, от 250 до 300 л. Режим пропитки регламентируется одновременно по двум параметрам: интенсивность нагнетания и давление нагнетания.

Развитие процесса пропитки капиллярно-пористой структуры грунтоцементного массива, сформированного на первом этапе по технологии Jet-2, суспензией тонкодисперсного вяжущего, можно представить следующим образом.

После завершения процесса схватывания и формирования устойчивой капиллярно-пористой структуры грунта, сформированной по технологии Jet-2, при низком давлении (до 0,5 МПа), с низкой начальной интенсивностью (до 1 л/мин) в грунтоцементном массиве заполняется открытая капиллярно-пористая структура, а также трещины, образовавшиеся в процессе нагнетания. При этом трещино-образование всегда происходит по ослабленному сечению, т. е. по замкнутым порам, которые заполняются суспензией тонкодисперсного вяжущего. Интенсивность нагнетания суспензии следует повышать, так как развитие трещин происходит в возрастающем объеме по мере распространения суспензии от центра к периферии массива. После заполнения проектного объема массива на данном го-

32014 ^^^^^^^^^^^^^

ризонте нагнетание прекращается и происходит затвердевание пропиточной суспензии в порах, капиллярах и трещинах массива, обеспечивая ему прочную, плотную и практически бездефектную структуру. Результаты полевых испытаний, а также опыт практического применения при различных геотехнических условиях и проектных решениях показал, что прочность грунтоцементного массива, сформированного по данной технологии, может достигать 15-25 МПа, а при устройстве противофильтрационных завес обеспечивается их полная водонепроницаемость. Причем усиленная таким образом противофильтрационная завеса может рассматриваться в качестве распорного элемента для вертикальных ограждающих конструкций строящихся подземных сооружений, существенно снижая их влияние на окружающую застройку.

Перед началом производства работ по устройству ПФЗ необходимо установить сетку буровых скважин, которая назначается с учетом геотехнических условий и уровня технологической обеспеченности подрядной организации. При установлении схемы размещения скважин наиболее оптимальной является сетка, основа которой - равносторонний треугольник. Формирование ПФЗ возможно по двум различным схемам: устройство сплошным фронтом (технология «мокрый» по «мокрому») или устройство ГЦМ с технологическим перерывом (технология «мокрый» по «сухому»). Оптимальной с точки зрения обеспечения надежности ПФЗ, по нашему мнению, является схема с технологическими перерывами, исключающая устройство ГЦМ сплошным фронтом. В противном случае наблюдается проявление грунтоцементной смеси и даже цементно-водной сусупензии через ствол соседних «свежих» скважин, что существенно снижает качество ГЦМ. С целью исключения сверхнормативных проявлений через соседние скважины целесообразно предусматривать пропуск 3-4 скважин вдоль оси с последующим возвратом для их устройства не ранее, чем через 24-48 ч, либо в отсутствие фронта работ предусматривать технологические перерывы. Причем для повышения надежности ПФЗ длина ГЦМ, выполняемых во вторую очередь, должна быть на 5-10% больше ранее исполненных. С целью сокращения общего срока производства работ и длительности технологических перерывов экономически эффективным является применение добавок, ускоряющих затвердевание грунто-цементной смеси. Причем некоторые из известных добавок, например такие как комплексная добавка для струйной цементации (КДСЦ), являются не только ускорителями твердения грунтоцементной смеси, но и одновременно обладают пластифицирующим эффектом, улучшая реологические свойства цементных растворов и повышая их седи-ментационную устойчивость.

Таким образом, минимизация строительных рисков при устройстве ПФЗ обеспечивается:

- организацией контроля на всех технологических переделах, который должен предусматривать: контроль шага скважин, вертикальности и глубины бурения и фактического диаметра грунтоцементных элементов; обеспечение предусмотренных проектом схемы и порядка устройства свай;

- контролем за соблюдением технологического регламента, предусмотренного проектом (давление нагнетания, расход материала, скорость вращения и подъема форсунки). Текущий технологический контроль должен до— |зз

Подземное строительство

------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

Научно-технический и производственный журнал

полняться исследованием свойств кернов, отобранных из тела ГЦС, а также возможным устройством опрессо-вочных и скважин для контроля за изменением уровня воды при осушении объема котлована. Выводы. Для гарантированного обеспечения сплошности, прочности и водонепроницаемости ПФЗ, устраиваемой с применением методов струйной цементации грунта, расчетный диаметр грунтоцементных элементов необходимо назначать с учетом возможного отклонения ствола скважины от вертикали. При устройстве ПФЗ на глубине 15-25 м и вероятном отклонении скважины от вертикали до 1,5% расчетный диаметр грунтоцементного массива должен составлять 1,5-2 м.

Список литературы

1. Бройд И.И. Струйная геотехнололгия. М.: АСВ, 2004. 440 с.

2. Eichler K. Spezialtiefbau. Expert Verlag GmbH,Renningen, Deutschland, 2009. 427 S.

3. Vogt N. Beitragezum 6.Geotechnik-Tag in München, Heft 39. Deutschland, München, 2007. S. 125-143.

4. Малинин А.Г. Влияние режимов струйной цементации на диаметр грунтоцементных колонн // Метро и тоннели. 2013. № 4. С. 30.

5. Гладков И.Л., Жемчугов А.А., Малинин Д.А. Технология струйной цементации грунтов в условиях плотной городской застройки // Жилищное строительство. 2013. № 9. С. 6-9.

С целью повышение качества и надежности устройства ПФЗ в сложных инженерно-геологических условиях рекомендуется применять технологию комбинированной цементации, предусматривающую струйную цементацию по методу Jet-2 с последующей пропиткой капиллярно-пористой структуры сформированного грунтоцементного массива цементной суспензией на основе микроцементов по манжетной технологии.

Для снижения строительных рисков при устройстве ПФЗ необходимо обеспечивать непрерывный контроль на всех технологических переделах, от выполнения геолого-разведочных работ до проектирования и контроля за качеством закрепленного грунтоцементного массива и ПФЗ в целом.

References

1. Broyd I.I. Struinaya geotekhnololgiya [Jet geotekhnololgiya]. M.: ASV, 2004. 440 p. (In Russian).

2. Eichler K. Spezialtiefbau. Expert Verlag GmbH, Renningen. Deutschland, 2009. 427 S.

3. Vogt N. Beitragezum 6. Geotechnik-Tag in Munchen, Heft 39. Deutschland, Munchen, 2007, рр. 125-143.

4. Malinin A.G. Influence of modes of jet cementation on diameter gruntotsementnykh of columns // Mosty i tonnely. 2013. No. 4, р. 30 (In Russian).

5. Gladkov I.L., Zhemchugov A.A. , Malinin D.A. Technology of Jet Grouting of Soils under Conditions of Dense Urban Development. Zhilishhnoe stroitel'stvo [Housing Construction]. 2013. No. 9, рр. 6-9 (In Russian).

Р

«ГорГеоСтрой» - инновационные геотехнические технологииа

ООО «ГорГеоСтрой» - современная, динамически развивающаяся, специализированная строительная, проектно-производственная организация геотехнического профиля.

ООО «Горгеострой» располагает современными технологиями

для геотехнического строительства, сочетание которых позволяет

гибко и эффективно решать практически любые проектные задачи:

- инъекционное закрепление грунтов с применением особо тонкодисперсного вяжущего «Микродур»;

- закрепление грунта методом струйной цементации JET-1 и JET-2;

- струйная цементация для устройства грунтоцементных массивов большого диаметра с повышенной прочностью и непроницаемостью «Super-JET»;

- устройство буровых и забивных свай с корневыми и бандажными уширениями;

- повышение несущей способности существующих свай, в том числе в мерзлотных грунтах;

- устройство ограждений котлованов в сочетании с инъекционным закреплением грунтов;

- устройство анкерных свай;

- инъекционное восстановление каменных, бетонных и железобетонных конструкций;

- формирование скальных массивов в грунте при тоннельном строительстве для проходки штолен в обводненных, подвижных грунтах;

- устройство горизонтальных и вертикальных противофильтрационных завес в сложных геологических условиях.

Одна из инъекционных насосных станций ГГС

Тел/Факс: +7 (499) 951-41-02 E-mail: gorgeostroj@mail.ru

34

32014