Струйная технология закрепления грунтов оснований фундаментов

Наиболее эффективным методом повышения несущей способности оснований и фундаментов является устройство грунтоцементных свай и массивов по струйной технологии ( Jet Grouting ), который широко используется в зарубежной практике. Метод разработан в Японии в конце 70-х годов и получил развитие во многих странах. Лидерами в изготовлении технологического оборудования в Европе являются немецкие фирмы Keller , Bauer , итальянская Rodo , французская Колагранде и др. (рис. 6.7).

Рис. 6. 7. Общий вид буровых установок струйной технологии закрепления грунтов
а - для работ на открытых поверхностях; б - при производстве работ в стесненных условиях

Для усиления фундаментов внутри здания используется мини-установка SC -1на гусеничном ходу фирмы Keller (ФРГ) (рис. 6.7,б ).Ее габаритные размеры позволяют перемешаться через проем шириной 0,8м и работать в подвальном помещении высотой не менее 2,8 м.

Первый опыт использования данной технологии в РФ был осуществлен при реконструкции гостиницы «Метрополь» в Москве в 1986-87 гг. фирмой Bauer .

Способ струйной технологии устройства грунтоцементных свай и массивов состоит из нескольких этапов:

I - осуществляют бурение скважин диаметром 40-90 мм на проектную глубину с погружением оборудования.

II - под давлением100-400 атм и углом 90° к оси сваи осуществляется резка грунта струей воды или суспензией с добавлением воздуха.

В качестве режущего инструмента используют специальные вращающиеся форсунки, что обеспечивает круговое разрушение грунта. По мере резания осуществляется плавный подъем рабочего инструмента. Частота вращения и скорость подъема зависят от вида грунта и его физико-механических характеристик. Вспученный грунт в виде пульпы может частично вымываться на поверхность.

III - одновременно с резкой и размывом грунта осуществляется его смешивание с цементной или цементно-глинистой суспензией на основе бентонитового порошка. В результате интенсивного перемешивания и разрушения грунта образуется однородная грунтоцементная масса плотностью 1,4-1,9 т/м³. В зависимости от расхода цемента и гранулометрии размытого грунта физико-механические характеристики грунтоцемента могут составлять 5-15 МПа.

IV - для получения грунтоцементного массива осуществляют соединение ранее возведенных элементов.Создание массива может осуществляться как до набора проектной прочности, так и после.

Комбинация различных массивов может повторять плановые очертания фундаментов и иметь разнообразную форму.

Технологические схемы производства работ приведены на рис. 6.8. Они раскрывают перечисленные технологические этапы и особенности производства работ. Усиление фундаментов может осуществляться как с наружной, так и подвальной частей зданий.

Рис. 6.8. Технологические этапы струйной технологии (а),схемы образования грунтоцементных массивов (б)и технология усиления основания фундаментов (в)
I - бурение скважины; II - разрушение и вспучивание грунта струей воды; III - резка с размывом грунта и смешиванием с цементной суспензией; IV -соединение грунтоцементных массивов; 1 - буровая установка; 2 -компрессор; 3 - насос для воды; 4 -растворонасос; 5 - отстойник для обратной пульпы; 6 - форсунка

В зависимости от технологических режимов производства работ возможно получение различного профиля грунтоцементного основания:

- при вращении форсунки вокруг оси обеспечивается получение цилиндрической поверхности в виде колонны или сваи;

- при перемещении форсунки на угол 180° обеспечивается получение укрепляемой зоны в виде полуцилиндра;

- при использовании двух форсунок и отсутствии вращения создается плоский профиль;

- при последовательной проходке с шагом установки инъекторов, равным зоне действия струйной технологии, обеспечивается получение плоской вертикальной стены;

- создание массива для переопирания фундаментов осуществляется путем комбинации различных форм и режимов движения режущего инструмента.

При устройстве массивов для переопирания фундаментов грунт размывается струей воды под давлением 300-400атм. Через дополнительную форсунку подается цементная суспензия под давлением до 15 атм. Полученная грунтоцементная смесь после затвердения обладает высокой несущей способностью и повышенной плотностью, обеспечивающей водонепроницаемость.

Струйная технология укрепления фунтов и устройства свай предусматривает использование сжатого воздуха, который смешивается с цементной суспензией, а грунт вспучивается и образуется гомогенный грунтоцементный массив.

Варианты технологических режимов производства работ применяются в зависимости от грунтовых условий и технологических целей (рис. 6.9).

Рис. 6.9. Варианты технологических режимов устройства грунтоцементных свай и массивов
I - однокомпонентная; II - двух- и III - трехкомпонентная технологии образования грунтоцемента

Грунтоцементный массив можно выполнять любой формы и в любом участке грунта: на поверхности, под подошвой фундамента, на определенной глубине.

Устройство грунтоцементных свай может производиться в очень стесненных условиях при любой необходимой глубине.Выполнение работ допускает присутствие подземных коммуникаций и не вызывает их повреждения. Струйная технология экологически чиста на всех технологических операциях.

При реконструкции зданий данная технология может использоваться при заглублении подвальной части зданий,усилении фундаментов, устройстве заглубленных сооружений в стесненных условиях городской застройки и других случаях.

В зависимости от грунтовых условий применяются однокомпонентная, двухкомпонентная и трехкомпонентная струйные технологии.

При наличии большого объема органических включений используются специальные приемы предварительной промывки обрабатываемых грунтов или их полное замещение после гидроразмыва и выноса на поверхность цементным раствором с добавлением мраморной пудры. Режим предварительного размыва позволяет повысить соотношение «цемент - грунт» и прочность закрепленных грунтов.

Использование цементно-песчаных растворов для замещения фунта недопустимо из-за высокой абразивности зерен кварца и быстрого износа раствороподающих шлаков высокого давления.

Однокомпонентная струйная технология (рис. 6.10,а). Основана на размыве, перемешивании и закреплении грунта струей цементного раствора с соотношением Основные параметры струйной технологии включают: давление подачи раствора - 35-45 МПа; расход раствора -50-150 л/мин; скорость подъема монитора - 25-50 см/мин; частота вращения монитора - 10-30 об/мин.

Рис. 6.10. Технологические схемы струйной цементации грунтов
а - однокомпонентная; б -двухкомпонентная с воздушной струей; в - двухкомпонентная с водной струей; г - трехкомпонентная; 1 - грунтоцементная свая; 2 -форсунка для подачи цементного раствора; 3 -то же, цементного раствора в воздушном потоке; 4 -форсунка для подачи воды; 5- то же, для подачи воды и воздуха

Двухкомпонентная струйная цементация (рис. 6.10, б , в)состоит из размыва, перемешивания и закрепления грунтов с помощью двух струй.

Используют воздушную систему,когда струя цементного раствора перемешивается внутри струи сжатого воздуха и за счет этого возрастает энергия разлива.

Водная система состоит из предварительного разлива струей воды и подачи цементного раствора.

Параметры двухкомпонентной струйной цементации включают: давление подачи раствора - 35-45 МПа; расход раствора - 100-180 л/мин; давление подачи воздуха - 0,7-1,7 МПа; расход воздуха- 8-12 м³/мин; скорость подъема монитора - 15-25 см/мин; частота вращения - 7-15 об/мин.

Для двухкомпонентной водной системы: давление подачи раствора - 5-8 МПа; расход раствора - 50-100 л/мин;давление подачи воды - 40-60 МПа; расход воды - 80-120 л/мин; скорость подъема монитора - 4-7 см/мин; частота вращения монитора - 3-10 об/мин.

Трехкомпонентная струйная цементация (рис. 6.10,г) состоит из разлива, перемешивания и закрепления грунтов с помощью трех струй. Струя воды помещается внутрь струи сжатого воздуха и подается через верхнее сопло, что позволяет использовать эффект«эрлифта» для выноса на поверхность легких частиц разливаемого грунта. Струя цементного раствора подается через нижнее сопло и служит для перемешивания разлитых частиц грунта.

Основные параметры трехкомпонентной технологии включают: давление подачи раствора - 5-8 МПа;расход раствора - 50-100 л/мин; давление подачи воды - 40-60 МПа; расход воды -80-120 л/мин; давление подачи воздуха - 0,7-1,7 МПа; расход воздуха - 8-12 м³/мин;скорость подъема монитора - 4-7 см/мин; частота вращения монитора - 3-10об/мин.

Струйный размыв грунта основан на движении струи малого диаметра и высокой скорости рабочей среды. Разрушение грунта определяется следующими факторами: кавитациоииым воздействием струи на грунт; действием динамического и ударного воздействия струи; снижением прочности грунтов, вызываемых пульсирующей нагрузкой; размывающим воздействием высокоскоростной водяной струи.

Значительное влияние на эффект размыва оказывают физико-механические и реологические характеристики грунтов.Для насыщенных водой грунтов размыв происходит более интенсивно по сравнению с менее влажным или сухим грунтом. Размыв протекает по схеме интенсивной суффозии при больших градиентах напора.

Сила гидродинамического давления на частицы грунта пропорциональна градиенту давления и объему частицы.Разрушение мелкозернистой породы происходит менее интенсивно, чем крупнозернистой.

Расчетная зависимость для оценки и определения радиуса действия (создания) грунтоцементной полости R может быть определена из соотношения

где К - коэффициент,учитывающий свойства грунта; d_g -диаметр струи на выходе из насадки; Re_g - число Рейнольдса для растворной струи,оценивающее турбулентность потоков; р _g -плотность цементного раствора; Е₀ -кинетическая энергия струи; J _гр - размываемость грунта; V _с - скорость струи.

По данным И.И. Бройда, значение некоторых параметров в приведенной зависимости требует экспериментального подтверждения.

Процесс выноса разрушенной структуры грунта (рис. 6.11) определяется плотностью и вязкостью транспортирующей жидкости (цементного раствора), диаметром рабочей скважины,сечением затрубного пространства и др. параметрами. При разработке тонкодисперсных грунтов образуется пульпа, обладающая высокой вязкостью, что в ряде случаев приводит к кратковременной закупорке скважины («клапану»). В результате размыв прекращается и происходит инъекция раствора в окружающий грунт с гидравлическим разрывом структуры и последующим выталкиванием «пробки»из скважины (фонтанированием раствора).

Рис. 6.11. Схема формирования грунтоцементной сваи по однокомпонентной технологии
1 -поступление цементного раствора; 2 -форсунка;3 -выход пульпы(грунтоцементной смеси) через затрубное пространство; 4 -водоцементная струя; 5- обрабатываемый объем грунта; 6 -грунтоцементный массив предыдущих циклов; h -высота грунтоцементного слоя за одну проходку; D - диаметр сваи

В ряде случаев, вследствие временного повышения давления в размываемой полости, происходит подъем поверхности грунта, что является недопустимым явлением.

При двух- и трехкомпонентной технологиях возможность закупорки скважины практически отсутствует из-за образования пульпы с низкой вязкостью, а также в результате ее воздухо-насыщения. Изливающаяся пульпа сбрасывается по открытым каналам в пульпоприемник. Частичное вовлечение цементного раствора после обезвоживания пульпы позволяет получать слабосцементированный грунт, который может использоваться при устройстве земляных сооружений.

По данным А.Г. Малинина, в зависимости от используемых технологий, продолжительности цикла обработки грунта расход цемента аппроксимируется рядом кривых, представленных на рис.6.12.

Рис. 6.12. Содержание цемента в объеме грунтоцементной сваи в зависимости от продолжительности цикла обработки грунта
1 - расход цемента в составе струи цементного раствора; 2 -фактическое содержание цемента в теле сваи; 3 -потери цемента в виде пульпы

Увеличение времени инъекции способствует увеличению потерь цемента в виде пульпы с незначительным повышением его содержания в грунтовой массе. Для каждого вида грунтов существует оптимальный режим инъекции, обеспечивающий получение высоких физико-механических характеристик грунтоцемента.

Соотношение между прочностью грунтоцемента и расходом вяжущего зависит от характеристик грунтов и составляет от 150 до 500 кг/м³ при прочности на сжатие 5-20 МПа.

Минимальный расход цемента при более высокой прочности обеспечивается для песчаных и гравелистых фунтов, а максимальный - для глинистых фунтов. Ориентировочные данные по прочности грунтоцементных образований для различных категорий фунтов представлены в таблице 6.6.

Таблица 6.6

Прочность грунтоцементных образований

№ п.п.	Грунт	Прочность, МПа
	Торф	<3,0
	Ил	<12,0
	Глина	<12,0
	Суглинок	1,5-10,0
	Супесь	5-14
	Песок	6-18
	Гравий	10-20

Реальные показатели физико-механических характеристик грунтоцемента определяются путем отрывки экспериментальных образований, испытаний кернов или использования неразрушающих методов.

Достаточно высокие прочностные показатели подводимых фундаментов позволяют осуществлять углубление подвальных частей зданий с целью использования заглубленных помещений для различных технологических нужд.

Струйная технология усиления фундаментов успешно используется путем устройства свай. Она основана на выбуривании скважины через тело фундамента и подведении свай под основание. Для повышения несущей способности сваи армируются металлическими трубами на полную высоту. Их погружение производится до периода схватывания грунтоцемента с использованием вибраторов.

Технологическая последовательность производства работ по подведению грунтоцементного массива под фундаменты должна осуществляться отдельными заходками (захватками),исключающими дополнительные осадки фундаментов при пластическом состоянии грунтоцемента. Длина захваток определяется скоростью набора его прочности, что зависит от характеристики грунтов и расхода цемента.

Минимальное значение прочности должно быть не ниже расчетного сопротивления фунтов основания. Эти данные получают расчетным путем с экспериментальной проверкой и отражают в проекте производства работ. В общем случае параметр захватки колеблется в диапазоне3,0-6,0 м.

Струйная технология находит широкое применение в тоннелестроении, устройстве ограждений котлованов,горизонтальных и вертикальных противофильтрационных завес, возведении фундаментов под опоры мостов и др. случаях. Возможность производства работ в стесненных условиях городской застройки существенно повышает ее конкурентоспособность.