Методы закрепления грунтов: краткий обзор

Необходимость в закреплении грунтов часто встречается в практике строительства и направлена обычно на повышение прочностных характеристик грунтового массива или уменьшение его водопроницаемости.

     Например, при устройстве ограждений котлованов из буросекущихся свай в водонасыщенных грунтах приходится закреплять массив грунта, непосредственно примыкающий к сооружаемой конструкции, чтобы исключить фильтрацию грунтовых вод через стенки возводимого ограждения.

     Другим примером является необходимость укрепления грунтов в основании фундаментов будущего сооружения, чтобы повысить его несущую способность.

     Закрепление грунтов – это применение специальных строительных технологий для целенаправленного изменения структурных, физико-химических и механических характеристик грунтовых массивов.

     Общая особенность методов закрепления грунта состоит в том, что изменение параметров грунтового массива происходит без нарушения условий их естественного залегания.

     Таким образом, повышение прочности грунтового массива достигается не за счет разрушения его структуры, как это происходит, например, при механическом уплотнении, а посредством увеличения сцепления между частицами грунта.

     В настоящей статье мы представляем краткий обзор специальных технологий закрепления грунтов, их особенностей, области применения.

Классификация методов закрепления грунта

     Применяемые в строительстве методы закрепления грунтов можно условно разбить на две группы:

Методы закрепления грунтов по типу применяемого раствора

Цементация грунтов

     Метод цементации грунтов – закрепление грунтов цементным или цементно-песчаным раствором, который нагнетается в массив породы через скважины или перфорированные трубы – инъекторы.

     Метод цементации грунтов эффективен для закрепления трещиноватых скальных и полускальных пород, грунтов, сложенных обломочными скальными или галечниковыми отложениями, а также средне- и крупнозернистыми песками, для заполнения карстовых или техногенных пустот.

     Суть метода заключается в следующем:

     — производится бурение скважин;

     — в пробуренные скважины устанавливаются трубы-инъекторы или манжетные колонны;

     — перед началом цементации скважина промывается водой для лучшего сцепления частиц грунта с раствором;

     — через трубы-инъекторы под определенным расчетным давлением нагнетается цементный или цементно-песчаный раствор.

     Цементный или цементно-песчаный раствор, выходящий из отверстий труб-инъекторов, заполняет пространство между частицами грунта, трещины, пустоты и затвердевает, формируя таким образом сплошной монолитный массив.

     Подбор водоцементного отношения, количество добавляемого в него песка определяют по результатам исследования залегающих пород и уточняют в процессе производства работ.

     Отметим, что важнейшими характеристиками грунта для определения возможности применения метода цементации является наличие грунтовых вод и скорость их потока, коэффициент фильтрации породы при этом должен превышать 80 м/сутки.

     Указанные характеристики также прямо определяют долговечность цементации.

Силикатизация

     Метод силикатизации грунтов – закрепление грунтов специальными растворами на основе жидкого стекла (силиката натрия).

     Для ускорения процесса затвердевания применяют отвердитель в виде слабых кислот или щелочей.

     Например, для закрепления песчаных грунтов может использоваться хлористый кальций, который нагнетается в грунтовый массив непосредственно вслед за жидким стеклом.

     Метод силикатизации наиболее эффективен в водонасыщенных или сухих песках, лессах, просадочных породах, характеризующихся микропористостью, а также в насыпных грунтах.

     Коэффициент фильтрации грунтов при этом должен находиться в диапазоне 3 – 80 м/сутки.

     Следует упомянуть, что метод силикатизации не применим, если грунт загрязнен отходами нефтепродуктов или смол.

     Таким образом, метод силикатизации в основе своей аналогичен методу цементации в том смысле, что стабилизирующий раствор, проникая в пространство между частицами грунта, заполняет его и, затвердевая, формирует грунтовый массив, обладающий существенно более высокими прочностными характеристиками.

     Вместе с тем, силикатизация расширяет область применения методов закрепления грунтов, имея ввиду более широкий спектр грунтовых условий.

Смолизация

     Метод смолизации грунтов – закрепление грунтовых массивов растворами полимерных смол.

     В качестве вяжущего применяют, например, раствор карбамидной смолы, а в качестве отвердителя – раствор соляной кислоты, который добавляется к основному раствору непосредственно перед инъектированием.

     Метод смолизации наиболее эффективен в обводненных пылеватых и мелких песках, то есть так называемых «плывунах».

Глинизация и битумизация

     Метод глинизации и битумизации грунтов – метод увеличения водонепроницаемости грунтовых массивов, сложенных скальными трещиноватыми породами или песками.

     Для уменьшения водопроницаемости песков применяют глинизацию, а трещиноватых скальных пород – битумизацию.

     В первом случае в песчаную породу нагнетается раствор глинистой суспензии, частицы которой «заиливают» пески, а во втором – битумную эмульсию с добавками или, реже, расплавленный битум, заполняющие трещины в породе.

     Таким образом, битумизация, наряду с цементацией, применяется для закрепления сходных грунтовых массивов (трещиноватые скальные и полускальные породы).

     Однако, битумизация наиболее эффективна в породах с сильным водопритоком, в которых коэффициент фильтрации составляет более 90 м/сутки. В таких условиях цементный раствор размывается и просто не успевает схватываться.

Методы закрепления грунта по способу введения стабилизирующей смеси

А. Инъекционный способ

     Инъекционный способ — метод закрепления грунта, при котором стабилизирующий раствор вводится в грунт под относительно небольшим давлением через пробуренные заранее скважины или перфорированные трубы (инъекторы).

     Давление, создаваемое при инъектировании раствора в грунт (породу), не превышает, как правило, 20 атм.

     Последнее означает, что область применения данного способа закрепления грунтов ограничивается галечниковыми отложениями, крупно и среднеобломочными породами, трещиноватыми скальными породами, возможно, крупнозернистыми песками.

     То есть, использование инъекционного метода целесообразно, если грунты (породы) имеют коэффициент фильтрации не менее 0,2 м/сутки.

     Инъекционный способ имеет существенные недостатки, основными из которых являются следующие:

     — высокая вероятность распространения раствора на значительные расстояния по трещинам и полостям в породе, что приводит к значительному расходу раствора и превышению длительности выполнения работ в сравнении с планируемыми сроками;

     — отсутствие гарантий создания равномерно закрепленного грунтового массива, что приводит к неоднородности его прочностных характеристик.

     Последнее исключает возможность применения данного метода для закрепления оснований под фундаменты крупных зданий или сооружений.

Б. Струйная цементация

     Струйная цементация (метод Jet Grouting) – наиболее популярный способ закрепления массива грунта, при котором в результате воздействия высокоэнергетического струйного потока стабилизирующего раствора происходит одновременное разрушение структуры грунта и его перемешивание с раствором.

     В отличие от инъекционного способа струйная цементация позволяет с высокой степенью надежности создавать однородный грунтоцементный массив с заранее заданными техническими характеристиками.

    Поэтому проектировщики при прочих равных условиях обычно делают выбор именно в пользу метода Jet Grouting.

     Учитывая высокую популярность применения струйной цементации в практике строительства, рассмотрим этот способ в настоящей статье более подробно.

     Стабилизирующий раствор подается под высоким давлением через полую буровую штангу к специальному устройству, закрепленному на ее конце, так называемому монитору.

     Раствор через форсунки, которыми оснащен монитор, под высоким давлением нагнетается в окружающий грунтовый массив с одновременным извлечением буровой штанги, формируя при этом грунтоцементный столб.

     Существует три разновидности струйной цементации Jet Grouting, называемые соответственно Jet–1, Jet-2 и Jet-3.

    Технология Jet-1 предусматривает формирование грунтоцементного столба под воздействием на грунт подаваемой под давлением бетонной смеси.

     В технологии Jet-2 бетонная смесь при подаче в грунт смешивается с воздушной струей.

     Наконец, в технологии Jet-3 бетон смешивается с воздушной и водяной струями.

     Применение той или иной разновидности струйной цементации обусловливается особенностями инженерно-геологических условий в зоне строительства, прежде всего, типом пород.

     Метод Jet-1 является наиболее экономичным, широко практикуемым, однако применим не для всех грунтовых условий, например, в малопроницаемых глинистых грунтах его эффективность резко снижается.

     Бетонный раствор подается в окружающий массив под давлением 600 атм., формируя в зависимости от типа пород грунтоцементный столб диаметром 600 – 800 мм.

     Области применения данной методики:

     — создание противофильтрационных завес, например, при сооружении ограждений котлованов из буросекущих свай в обводненных грунтах;

     — укрепление (армирование) слабых грунтов;

     — укрепление существующих фундаментов зданий.

     Метод Jet-2 позволяет увеличить диаметр грунтоцементного столба от 1100 до 1500 мм.

     Метод Jet-2 эффективен для укрепления грунтов, находящихся в основании крупных зданий и сооружений, а также при производстве работ в водоупорных глинистых пластах.

     Метод Jet-3 позволяет сформировать грунтоцементный столб диаметром до 2500 мм.

     Важной технической особенностью метода Jet-3 является возможность полностью заместить слабую или нарушенную породу бетоном, грунт при этом в процессе извлечения буровой штанги выносится на поверхность.

     Метод Jet-3 является наиболее дорогостоящим и сложным в применении, поэтому его выбор в качестве метода закрепления грунтов должен быть экономически и технически обоснован.

     Основные технологические операции метода струйной цементации Jet Grouting.

     Выбор метода струйной цементации, применяемого для закрепления грунта или создания противофильтрационной завесы, должен быть предварительно обоснован.

     Выше мы отметили, что основным фактором, влияющим на этот выбор, является характеристика грунтового массива.

     Независимо от того, какой метод предварительно выбран, следует на площадке строительства до начала основного объема работ выполнить одну – две грунтоцементные сваи, после чего испытать образцы грунтобетона.

     При проведении испытаний интерес будут представлять две ключевые характеристики в зависимости от назначения: коэффициент фильтрации образцов или соответствие проектной прочности.

     Работы по закреплению грунтового массива или созданию противофильтрационной завесы выполняются в следующей последовательности:

     — установка бурового станка на точку бурения;

     — бурение лидерной скважины с одновременным погружением в нее монитора, закрепленного на конце буровой штанги;

     — приготовление стабилизирующего раствора;

     — нагнетание стабилизирующего раствора в систему для создания требуемого давления с последующим извлечением буровой штанги.

     В процессе извлечения монитора необходимо поддерживать давление в системе на заданном уровне.

Оборудование для струйной цементации

     Выполнение работ по закреплению грунтов с применением технологии Jet Grouting производится комплексом высокотехнологического оборудования, основными элементами которого являются: буровая установка, смесительная (миксерная) станция, инъекционные (цементационные) насосы, компрессорная станция (для технологий Jet-2 и Jet-3).

    Компрессорные станции, применяемые в технологии Jet Grouting, должны обеспечивать давление не ниже 6 атм. и производительность 8 – 10 м³/час.

     Кроме того, на площадке необходимо иметь емкости для хранения цемента (силосы).

     В Российской Федерации на сегодня представлен широкий спектр буровых установок для струйной цементации, от малогабаритных машин шириной 0,7 м, длиной 1,0 м и высотой 1,7 м до крупногабаритных установок шириной до 2,5 м, длиной до 6,0 м, высотой мачты 18,0 м и глубиной бурения до 50 м.

     Производители буровых установок для струйной цементации представлены в основном компаниями из Италии – MDT, BERETTA, COMACCHIO, TECNIWELL RAPTOR.

     Приятным исключением являются буровые установки FIGARO, производство которых налажено пермской компанией «Специальная Строительная Техника». Эти машины хорошо зарекомендовали себя при выполнении работ в разных городах Российской Федерации и в различных инженерно-геологических условиях.

     Важнейшее требование к буровым установкам – возможность автоматизированного контроля скорости извлечения става буровой колонны, при помощи которого должны поддерживаться заданные параметры. Невыполнение этого условия приводит к серьезным последствиям при производстве работ – отклонениям от проектного диаметра грунтоцементных свай, разрывам в создаваемых конструкциях, снижению содержания в них цемента и, соответственно, показателей прочности.

     Для передачи крутящего момента от вращателя (ротора) буровой установки к буровому долоту служит буровая штанга. Другой ее важной функцией является подача цементного раствора к монитору, через который тот нагнетается в грунтовый массив.

     В технологии Jet-1 для этого применяют одноканальную (одинарную) штангу.

     В технологиях Jet-2 и Jet-3 применяют двойную и тройную штангу соответственно, по каналам которых подают дополнительно воздух (Jet-2) или воздух и воду (Jet-2).

     На конце буровой штанги между основной колонной буровых труб и рабочим органом – буровым долотом, находится монитор – элемент, представляющий собой короткую цилиндрическую трубу с отверстиями, в которые устанавливаются воздушные и/или цементировочные форсунки.

     Форсунки служат для преобразования высокой энергии давления в каналах буровых труб в кинетическую энергию воздушного потока или струи стабилизирующего раствора.

     Смесительные (миксерные) станции предназначены для приготовления стабилизирующих смесей с заданным водоцементным соотношением.

     Цементационные насосы обеспечивают подачу стабилизирующего цементно-песчаного раствора в систему – высоконапорную магистраль, по которой раствор подается к монитору под давлением до 600 атм.

     Основные производители высоконапорных цементационных насосов также представлены компаниями из Италии – TECNIWELL, SOILMEC, CASAGRANDE.

     Эти насосы обеспечивают, в зависимости от технических характеристик, максимальный расход от 500 до 800 литров в минуту.

Методы закрепления грунтов: нормативная документация

     Строительной отраслью нашей страны накоплен богатый опыт применения различных методов закрепления грунтов при возведении зданий, сооружений и производстве строительно-монтажных работ.

     Методы и технологии закрепления грунтов подробно описаны в нормативной документации.

     Ниже приведен краткий перечень основных нормативных документов, которыми следует руководствоваться при проектировании и производстве указанных конструкций и работ:

     — свод правил СП 291. 1325800. 2017 «Конструкции грунтоцементные армированные»

     — стандарт СТО НОСТРОЙ 2.3.18 – 2011 «Укрепление грунтов инъекционными методами в строительстве»

     — свод правил СП 45.13330.2017 «Свод правил. Земляные сооружения, основания и фундаменты» (глава 16)

     — свод правил СП 50-101-2004 «Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений» (параграф 13.6)

     — свод правил СП «Основания зданий и сооружений» (параграф 6.9)

    Все перечисленные выше нормативные документы должны быть обязательно положены в основу при разработке специалистами строительных организаций проектно-технологической документации -технологических карт и проектов производства работ.

Полезное видео: струйная цементация (метод Jet Grouting)