Технологические особенности производства и контроля закрепления грунтов по струйной технологии
Способ закрепления грунтов цементным раствором по гидроструйной технологии (jet-grouting) нашел применение с середины прошлого столетия сначала в Японии, а затем повсеместно в мировой строительной практике.
Вместе с тем высоконапорная технология jet-grouting при всех ее достоинствах в настоящее время не находит широкого применения. Ее распространение сдерживается отсутствием надежного прогноза назначаемых расчетных параметров, геометрических размеров и прочностных характеристик получаемых с ее помощью грунтоцементных конструкций.
Метод струйной цементации грунтов применяется в песчаных, супесчаных, суглинистых и глинистых участках для усиления jet-сваями оснований зданий и сооружений, создания временных и постоянных несущих и ограждающих конструкций, а также противофильтрационных завес вертикального и горизонтального простирания. Горизонтальные завесы, в особенности под днищами глубоких котлованов, выполняют дополнительную положительную роль в виде распорных дисков, позволяющих снизить требуемое заглубление ограждения котлована. Ограждающие конструкции из jet-свай могут армироваться металлическими или железобетонными элементами. Армирование производится в процессе изготовления свай.
Закрепление грунтов методом струйной цементации в зависимости от грунтовых условий, требуемых сечений jet-сваи, прочности и фильтрационных свойств создаваемой грунтоцементной конструкции может производиться по следующим трем технологиям.
а) Однокомпонентная технология — Jet-1. Разрушение грунта производится струей цементного раствора. Технология наиболее простая в исполнении, достигается наибольшая плотность и прочность грунтоцемента. Прочность на сжатие грунтоцемента, полученного по технологии Jet-1 в песчаных грунтах при оптимальном расходе цемента 350-400 кг/м 3 , составляет в среднем 5-10 МПа, в глинистых грунтах — до 4 МПа. Диаметр грунтоцементных свай в глинистых грунтах не привышает 500 мм, в песчаных грунтах — 700 мм. Возможны более высокие показатели диаметра и прочности при повышенных расходах цемента, вплоть до полного замещения грунта в свае цементным раствором.
б) Двухкомпонентная технология — Jet-2. Для увелечения объема закрепляемого грунта используется дополнительно энергия сжатого воздуха путем создания искусственного воздушного потока вокруг струи цементного раствора, позволяющего снижать сопротивление окружающей среды по его боковой поверхности. Диаметр jet-свай при оптимальных расходах цемента достигает в глинистых грунтах до 700 мм, в песках — 1000 мм. Плотность грунтоцемента в результате насыщения воздухом (аэрирования), а следовательно, и прочность снижаются 10-15% по сравнению с Jet-1.
в) Трехкомпонентная технология — Jet-3. Разрушение грунта производится струей воды в искуственном воздушном потоке, а цементный (цементно-глинистый) раствор подается в виде струи через отдельное сопло под невысоким давлением, Плотность и прочность грунтоцемента значительно ниже, чем при Jet-1. Диаметр грунтоцементных свай может достигать при оптимальном расходе в глинах 900 мм, в песках — 1500 мм и более.
Технологию Jet-1 рекомендуется применять преимущественно в крупно- среднезернистых песках, Jet-2 и Jet-3 в мелкозернистых и связных грунтах.
Выбор технологии и состава твердеющего раствора зависит от вида закрепляемого грунта, размеров и назначения конструкций, прочностных показателей получаемого грунтоцемента. Получение Jet-сваи, выполненной с минимальными затратами цемента и отвечающей проектным требованиям, — наиважнейшая задача. Поэтому для уточнения технологических параметров и их увязки с конкретными условиями объекта рекомендуется предварительно проводить опытные работы.
Программа опытных работ включает определение рациональных параметров скорости подъема монитора и числа его оборотов, подбор кинетической энергии гидроструи, адекватной свойствам грунта при выбранном диаметре отверстий сопла (сопел) в мониторе.
Основным определяющим фактором при устройстве Jet-свай являются два взаимосвязанных и взаимообусловленных показателя: дальность разрушающего действия гидроструи, зависящая от кинетической энергии потока, определяемой как произведение ее массы на ускорение; продолжительность воздействия струи на грунт, зависящая от скорости подъема и вращения монитора.
Кинетическая энергия гидроструи выбирается в зависимости от вида размываемого грунта.
Размых связных глинистых грунтов рекомендуется производить при пониженной скорости подъема порядка 0,25 м/мин и повышенных оборотах монитора до 30 об/мин при максимальном давлении гидроструи через сопла с минимальным диаметром отверстий (1,5 мм)
В песчаных грунтах рекомендуется снижать давление до 10 МПа, повышать расход раствора до 200 л/мин. при уменьшенных оборотах до 10 об/мин.
Суммарный расход цемента (оптимальный) в песчаных и глинистых грунтах при правильном подобранном режиме должен составлять в пределах 350-400 кг на 1 м сваи.
Следует отметить, что чем больше расход жидкости и меньше скорость подъема монитора, тем в большем объеме размывается грунт и повышается плотность и вязкость образуемой пульпы. При росте плотности свыше критической, когда пульпа становится непригодной для гидротранспортирования, происходит закупорка лидерной скважины, что приводит к резкому повышению давления в зоне размыва и к образованию гидроразрывов в грунте, по которым продолжающий поступать раствор распространяется за пределы размываемой зоны.
Структура грунтоцемента, ее однородность, получаемая jet-grouting, во многом зависит от режима и технологических параметров при производстве сваи. В песчаных грунтах достигается более высокая однородность грунтоцемента, чем в глинистых, в особенности в плотных суглинках и глинах.
Глины и суглинки мягко-, текуче- и пластичной консистенции размываются струей с образованием относительно однородной грубодисперсной глиноцементноводной пульпы. Плотность такого раствора зависит от количества глинистого грунта, а прочность — дополнительно от его пластических свойств и степени диспергации ( разрушения связных агрегатов).
Учитывая высокую неоднородность грунтоцемента, получаемого при формировании jet-сваи по струйной технологии, рекомендуется в расчетах таких конструкций по несущей способности вводить коэффициент запаса: в песчаных грунтах равный 2, в глинистых — 3. Строительная практика на основании имеющегося многолетнего опыта, полученного в разнообразных инженерно-геологических условиях, выработала некоторый общий регламент производства работ и рекомендации по технологическим параметрам устройства jet-свай. Основные из них следующие.
- Ориентировочный оптимальный расход цемента на устройство jet-свай диаметром 0,6-1,2м, длиной 1м составляет 350-400 кг, или 466-533 литра цементного раствора В/Ц=1.
- Давление цементной суспензии в мониторе в зависимости от вида и свойств грунта, числа сопел и диаметра отверстий в них регулируется от 10 до 70 МПа путем измерения расхода от 60 до 250 л/мин. В песчаных грунтах используются сопла с максимальными диаметрами до 3,5 мм, что обеспечивает пониженное давление в мониторе при повышенных расходах цементного раствора.
- Давление сжатого воздуха для Jet-2 и Jet-3 должно быть не менее 0,8 МПа.
- Скорость подъема монитора варьируется в зависимости от вида и свойств грунта в пределах 0,25-0,5 м/мин, а частота вращения- от 10 до 30 об/мин. В песчаных грунтах рекомендуются повышенные скорости подъема при минимальной частоте вращения монитора. В гинистых грунтах в зависимости от показателей их физико-механических характеристик задаются пониженные скорости подъема монитора при максимальной частоте его вращения.
При проектировании несущей конструкции из jet-свай определяемыми характеристиками являются в первую очередь ее диаметр, прочность и модуль деформации грунтоцемента и, получаемая по струйной технологии неоднородность состава при смешивании грунта с цементным раствором. Диаметр сваи, как правило, принимается на основании опытных работ или по аналогам на объектах с идентичными грунтами.
Следует отметить, что прочность глиноцементных составов при одинаковом содержании цемента зависит не только от количества содержащегося в нем глинистого грунта, но и от его пластических свойств, характерезуемых показателем числа пластичности (Ip). Чем больше содержится в исходном цементном растворе глинистого грунта и выше его пластичность, тем ниже получается прочность затвердевшего грунтоцемента.
Решающая роль при отработке оптимального режима в процессе устройства jet-свай должна отводиться контролю за пульпой, удаляемой из скважины, в частности, за ее плотностью. Замеры можно производить ареометрами или весовым способами в периодически отбираемых пробах в автоматическом режиме в реальном времени с помощью датчика-плотномера, устанавливаемого на лотке, отводящем шлам в шламосборник.
На основании проведенных исследований и расчетов можно сделать вывод, что результаты формирования свайных конструкций по технологии jet-1, в частности, составы и прочности получаемых грунтоцементов могут прогнозироваться непосредственно в процессе производства работ при условии, что налажен контроль за плотностью удаляемой из лидерной скважины пульпы. По показателю плотности пульпы в процессе формирования сваи возможно:
- корректировать технологические параметры с целью обеспечения проектной прочности грунтоцемента и параметров устраеваемой сваи;
- определять получаемый состав грунтоцемента в расчетном объеме сваи, включая количества грунта, цемента и воды;
- прогнозировать прочность грунтоцемента в свае;
- фиксировать слои отложений других неучтенных проектом видов грунтов, свойства которых могут повлиять на параметры сваи и свойства грунтоцемента.
Источник
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/м 3 . 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 м 3 /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 м 3 /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; dg -диаметр струи на выходе из насадки; Reg — 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/м 3 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.
Источник
