Технология струйной цементации грунтов появилась практически одновременно в трех странах – Японии, Италии, Англии. Инженерная идея оказалась настолько плодотворной, что в течение последнего десятилетия технология струйной цементации мгновенно распространилась по всему миру, позволяя не только более эффективно решать традиционные задачи, но и найти новые решения иных многочисленных сложных проблем в области подземного строительства.
Сущность технологии заключается в использовании энергии высоконапорной струи цементного раствора для разрушения и одновременного перемешивания грунта с цементным раствором в режиме «mix-in-place» (перемешивание на месте). После твердения раствора образуется новый материал – грунтобетон, обладающий высокими прочностными и деформационными характеристиками.
По сравнению с традиционными технологиями инъекционного закрепления грунтов струйная цементация позволяет укреплять практически весь диапазон грунтов – от гравийных отложений до мелкодисперсных глин и илов. Другим важным преимуществом технологии является чрезвычайно высокая предсказуемость результатов укрепления грунтов.[1]
Область применения технологии.
Наиболее широкое применение технологии:
– устройство одиночных свайных фундаментов;
–устройство ленточных фундаментов и сплошных фун-даментных плит из взаимно пересекающихся грунтоцементных свай;
– сооружение подпорных стен для повышения устойчивости склонов и откосов;
– закрепление слабых и обводненных грунтов вокруг строящихся подземных городских сооружений – колодцев, коллекторов, тоннелей.
– сооружение противофильтрационных завес.
К преимуществам технологии относится:
– высокая скорость сооружения грунтоцементных свай;
– возможность работы в стесненных условиях – в подвальных помещениях вблизи существующих зданий, на откосах и т.д. В этом случае на объекте устанавливается только малогабаритная буровая установка, а весь инъекционный комплекс располагается на более удаленной удобной площадке;
– отсутствие ударных нагрузок, так как в отличие от забивания железобетонных свай устройство грунтоцементных свай не сопровождается негативным ударным воздействием на фундаменты близко расположенных зданий и сооружений. [2]
Сущность технологии.
Устройство свай из грунтобетона выполняют в два этапа – в процессе прямого и обратного хода буровой колонны.
Во время прямого хода производят бурение лидерной скважины до проектной отметки. Буровой раствор поступает через открытый клапан в буровой наконечник для удаления шлама в процессе бурения. В качестве бурового раствора используется вода, бентонитовый или цементный раствор.
В процессе обратного хода в сопла монитора, расположенного на нижнем конце буровой колонны, подают под высоким давлением цементный раствор и начинают подъем колонны с одновременным её вращением.
При создании высокого давления прямой клапан закрывается, преграждая проникновение цементного раствора в буровой наконечник, поэтому весь цементный раствор поступает исключительно в сопла монитора.
Основные этапы технологии представлены на рис.1.
Рис.1. Основные этапы технологии.
а-прямой ход, б, в, г-обратный ход, д-установка арматуры.
В настоящее время существует три основных разновидности технологии.
Однокомпанентная технология JET-1. В этом случае разрушение грунта производят струей цементного раствора. Давление нагнетания раствора 400-600 атм. В процессе размыва грунта происходит его перемешивание с цементным раствором. После твердения образуется новый материал – грунтоцемент, обладающий по сравнению с первоначальным грунтом повышенными прочностными, деформационными и противофильтрационными характеристиками. Технология JET-1 наиболее проста в исполнении, требует минимального комплекта оборудования – миксера и цементировочного насоса, однако диаметр получаемых свай является наименьшим по сравнению с другими вариантами технологии. Например, в глинах диаметр колонн не превышает 0,6 м, в суглинках и супесях – 0,7-0,8 м, в песках – до 1,0 м.
Двухкомпонентная технология JET-2. В этом варианте для увеличения длины водоцементной струи используют энергию сжатого воздуха. Для раздельной подачи в монитор цементного раствора и сжатого воздуха применяют двойные концентрические полые штанги. По внутренним штангам подают цементный раствор, а по внешним – сжатый воздух. Монитор также имеет более сложную конструкцию, включающую сопло для водоцементного раствора и дополнительное кольцевое сопло для формирования воздушной рубашки, окружающей струю. Воздушная рубашка, защищающая водоцементную струю, резко снижает сопротивление окружающей среды по боковой поверхности струи и тем самым увеличивает её разрушающее действие. Диаметр получаемых колонн по этой технологии в глинах достигает 1,2 м, в суглинках и супесях – 1,5 м, в песчаном грунте – 2,0 м.
Трёхкомпонентная технология JET-3. Этот вариант отличается от предыдущих тем, что водовоздушная струя используется исключительно для размыва грунта и образования в нём полостей, которые впоследствии заполняются цементным раствором. Преимуществом данного варианта является получение колонн из чистого цементного раствора. К недостаткам следует отнести сложность технологичсекой схемы, требующей применения тройных штанг для раздельной подачи воды, сжатого воздуха и цементного раствора, а также дополнительного технологического оборудования – компрессора и цементировочного насоса. [3]
Графически разновидность технологий приведена на рис.2.
Рис.2. Разновидность технологий струйной цементации
Практическое применение технологии «Jet-grouting» на примере искусственного водопонижения подземного резервуара в г.Краснодар.
Подземный монолитный железобетонный резервуар состоит из двух объемов, разделенных между собой деформационным швом (Рис.3)
Объем №1 (в осях А-Ж/1-2) имеет размеры в плане 21,5 х 20,6 м, среднюю габаритную высоту – 5,7 м. Объем резервуара – 2500 м3, железобетонных вес конструкций – 1450 т, приведенная плотность – 0,58 т/м3, площадь опирания – 443 м2, давление на грунт в незаполненном состоянии – 3,27 т/м2.
Объем №2 (в осях А-Ж/3-4) имеет размеры в плане 21,5 х 8,1 м, среднюю габаритную высоту – 4,15 м. Объем резервуара – 720 м3, железобетонных вес конструкций – 430 т, приведенная плотность – 0,60 т/м3, площадь опирания – 175 м2, давление на грунт в незаполненном состоянии – 2,45 т/м2. Глубина заложения объема №1 составляет 6,0 (23,0) м, глубина заложения объема №2 4,2 (24,8) м от существующей поверхности земли. Согласно проектной документации расчет резервуара по условиям всплытия в незаполненном состоянии не производился, дополнительная анкеровка в грунт не предусматривалась.
Согласно данных инженерно-геологических изысканий резервуар расположен в массиве суглинков, изначально по консистенции находящихся в полутвердом состоянии.
В период изысканий (октябрь 2015 г) подземные воды вскрыты на глубине 6,5 м, установились на глубине 5,2 м, что соответствует абсолютным отметкам 23,25-23,30 м.
Питание горизонта грунтовых вод осуществляется за счет инфильтрации атмосферных осадков. В периоды интенсивного выпадения осадков возможно повышение уровня подземных вод на 1,0 м от замеренного, до отметок 24,25-24,30 м и образование вод типа верховодки на глубине 0,5-0,7 м от поверхности земли.
Строительно монтажные работы по устройству резервуара выполнялись в открытом котловане, в качестве выравнивающего слоя основания и выполнения обратной засыпки применена песчано-гравийная смесь. [4]
После выпадение обильных дождевых осадков (январь 2016г.) произошло всплытие обоих объемов резервуара, сопровождающееся развитием кренов в двух направления. Схема развития деформаций, построенная по данным геодезического мониторинга (28.01.2016) приведена на рис.4.
Рис.3. План подземного резервуара с закрепленными точками геодезического мониторинга.
Рис.4. Схема развития деформаций по данным на 28.01.2016 г.
Исходя из условия, что резервуар представляет жесткую конструкцию коробчатого сечения, его собственными деформациями можно пренебречь, в этом случае величина дифферента объема №1 составляет 3,7 град., угол отклонения от продольной оси – 50 град; для объема №2 величина дифферента составляет 2,3 град.
Причина возникновения неблагоприятной ситуации.
В ходе выпадения обильных осадков с большой долей вероятности произошло поднятие уровня подземных вод и смыкание вод зоны аэрации (верховодка) и зоны водонасыщения (грунтовая вода), при этом возникло полное водонасыщение грунта обратной засыпки.
Гидростатическое давление пульпы в этом случае составляет в проектном уровне подошвы объема №1 pw = 5,28 т/м2, объема №2 pw = 3,69 т/м2, что в 1,5 раза превышает давление от собственного веса конструкций.
В связи с переходом грунта обратной засыпки в полностью водонасыщенное состояние, его можно рассматривать как «тиксотропную рубашку» и трением по боковой поверхности конструкций о грунт, можно пренебречь.
В этом случае произошло неравномерное всплытие резервуаров и перемещение водогрунтовой пульпы из обратной засыпки в основание.
В основание объема №1 – 450 м3, объема №2 – 130 м3, общий объем – 580 м3, что составляет около 50% от общего объема обратной засыпки в плотном теле – 1130 м3.
Равновесное положение давлений собственного веса конструкций и гидростатического давления воды устанавливается на глубине 4,0 метра для объема №1 и 3,0 метра для объема №2, что в целом соответствует максимальным уровням подъема 2,0 и 1,0 м.
Таким образом фактическое положение резервуара соответствует модели поведения пустотелой конструкции, плавающей в вязкой жидкости. [5]
Техническое решение по устранению неблагоприятной ситуации.
Техническое решение, предложенное специалистами предприятия, заключалось в следующих основных технологических этапах:
-
Удаление обратной засыпки по периметру котлована на глубину до 5,0 метров и устройство угловых приямков (глубиной ниже проектной отметки дна резервуара) для сбора водогрунтовой пульпы. Это позволит снять гидростатическое давление и обеспечит пространство для вытеснения пульпы из под днища.
-
Выполнить дифферентовку резервуара по схеме перемещения жидких грузов в отсеках. Для этого при помощи превенторов выполнить перфорацию железобетонного днища резервуара и управляемо заполнить внутренние отсеки резервуара водогрунтовой пульпой
-
После выполнение дифферентовки выполняется погружение резервуара равномерным принятием водогрунтовой смеси во все отсеки, через технологические отверстия в железобетонном днище. Управляемое затопления достигается использованием превенторов: Тип 1 – для перфорации днища и Тип-2 для регулирования притока водогрунтовой пульпы. Для установления отрицательной плавучести требуется принятие около 600 м3 водогрунтовой пульпы, общая глубина затопления отсеков около 1,5 метров. В этом случае также создается вертикальное давление на пульпу в основании резервуара и происходит ее выдавливание в дренажную полость по периметру котлована.
После возвращения резервуара в работоспособное состояние необходимо выполнить его анкеровку в грунте, для предотвращения повторного всплытия и стабилизацию грунтов в основания для снижения воздействия гидростатического давления воды на железобетонное днище резервуара.
-
Анкеровка резервуара в грунте выполняется с помощью устройства анкерных грунтоцементных элементов ГЦЭа1 и ГЦЭа2 диаметром 0,6м. Длина анкерных ГЦЭа составляет 10,0м.
Стабилизация грунтов в основании резервуара предусмотрена путем армирования природного грунта жесткими грунтоцементными цилиндрическими элементами ГЦЭ1 и ГЦЭ2 диаметром 0,6м. Длина элементов ГЦЭ составляет 3,0м.
Грунтоцементные элементы ГЦЭ и анкерные грунтоцементные элементы ГЦЭа выполняются по однокомпонентной технологии струйной цементации грунтов «jet-grouting», основанной на использовании энергии струи цементного раствора для разрушения и одновременного перемешивания природного грунта с частичным замещением его цементным раствором. Замещенный грунт вместе с цементным раствором в виде пульпы изливается через устье технологических скважин. После твердения образуется новый материал – грунтоцемент, обладающий по сравнению с природным грунтом повышенными прочностными и деформационными характеристиками.
Основные параметры струйной цементации грунтов при производстве работ:
-
Бурение технологических скважин ведется колонковым способом с промывкой водой. Диаметр породоразрушающего инструмента – 112мм;
-
Предварительный размыв полости в грунте водой осуществляется с расходом воды 400л/п.м.;
-
В/Ц = 1, плотностью (ρ) – 1,51г/см3. Расход цемента на 1п.м элемента – 220кг. Цемент – марка ЦЕМ II/А-П 42.5Н СС по ГОСТ 31108-2003. Для ускорения схватывания раствора применена добавка жидкого стекла по ГОСТ 13078-81 в объеме 1,5% от веса цемента. Цемент ЦЕМ II/А-П 42.5Н СС по ГОСТ 31108-2003 допускается заменять на ПЦ500 по ГОСТ 10178-85.
- Давление нагнетания раствора – 450 атм.
Рецептурно-технологические параметры струйной цементации приняты по опыту работы предприятия ООО «Нью Граунд» в аналогичных грунтах и подтверждаются в процессе опытных работ. [6]
Заключение.
В процессе проработки проекта производства работ была достигнута основная цель – привидение железобетонного резервуара в работоспособное техническое состояние в системе «сооружение-основание»; выполнено укреплённое основание под резервуар с его дальнейшей стабилизацией на площадке.
Исходное состояние резервуара и достигнутый результат водопонижения графически представлены на рис.5 – рис.8
Рис.5. До закрепления грунтов основания.
Резервуар находится в обводненном состоянии
Рис.6. До закрепления грунтов основания.
Резервуар находится в обводненном состоянии
Рис.7. После закрепления грунтов основания.
Рис.8. После закрепления грунтов основания.
Библиографический список
- Зуев С.С., Маковецкий О.А., Хусаинов И.И. Применение струйной цементации для устройства подземных частей комплексов//Жилищное строительство. –2013. – № 9. – С. 10-13.
- Хусаинов И.И., Маковецкий О.А., Кашеварова Г.Г. Сравнительный анализ опытных и расчетных деформаций грунтового массива, закрепленного струйной цементацией//International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. –2012.– Т. 8, № 2. – С. 126-132.
- Маковецкий О.А., Галимова В.В., Миллер К.А. Вопросы проектирования и применения геотехнического барьера, выполненного по технологии струйной цементации грунта//Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Прикладная экология. Урбанистика. – 2014. – № 1 (13). – С. 99-104.
- Маковецкий О.А., Серебренникова Д.К. Применение технологии струйной цементации грунта для повышения надежности основания земляных сооружений//Дороги и мосты. – 2013. – № 2 (30). – С. 086-098.
- Кашеварова Г.Г., Хусаинов И.И., Маковецкий О.А. Опыт применения струйной цементации для устройства подземных частей комплексов//Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. – 2013. – № 31-2 (50). – С. 258-263.
- Буравская А.В., Маковецкий О.А.Анализ методов закрепления грунтов в строительстве//Современные технологии в строительстве. Теория и практика. –2016. – Т. 1. – С. 126-130.