N1(4), 2001

 Решение геотехнических проблем с помощью инъекционных технологий

С.Г.Богов, С.И.Алексеев

Богов Сергей Геннадиевич - начальник производственного отдела НПФ "Геореконструкция".

Основные направления научной деятельности - разработка и адаптация геотехнологий, контроль качества геотехнических работ. Автор 20 опубликованных работ, 4 патентов

Алексеев Сергей Игоревич - доктор технических наук, профессор кафедры "Основания и фундаменты" ПГУПС, член РОМГГиФ, член ГЭКК ОФиПС при Администрации Санкт-Петербурга.

Основные направления научной деятельности - проектирование новых и реконструируемых фундаментов на неоднородных основаниях методом выравнивания конечных осадок. Геотехнические аспекты реконструкции зданий. Автор более 90 опубликованных работ, в том числе 2-х монографий.


В Санкт-Петербурге реализуется комплексная программа «Центр Санкт-Петербурга», предусматривающая реконструкцию инженерных коммуникаций и зданий, расположенных в историческом центре города.  Это связано с изношенностью инженерных сетей и деформациями зданий. Так канализационные  коллекторы имеют участки,  в которых  трубы разошлись в стыках и получили просадку. Чаще всего на этих участках ремонт коммуникаций по традиционным технологиям со вскрытием глубоких траншей и котлованов невозможен, поскольку может быть связан с недопустимыми деформациями зданий уже имеющих значительный износ строительных конструкций.

Возможность успешных решений инженерных задач зависит, в первую очередь, от реализации системного подхода к проблеме. Задачи должны решаться в следующей последовательности: проведение обследования существующих сетей и выявление параметров аварийных участков; проведение инженерно-геологических изысканий с определением измененных свойств грунтов; составление проекта реконструкции с использованием современных щадящих технологий, с превентивным геотехническим моделированием всех стадий производства работ; реализация проекта с использованием соответствующего оборудования; проведение геотехнического мониторинга  на всех стадиях производства работ и в послестроительный период.

Как представляется, одним из способов предотвращения развития деформаций и ухудшения экологической ситуации вокруг действующих трубопроводов, позволяющим избежать их отключения, может быть закрепление грунтов околотрубного пространства. Принципиальная схема метода показана на рис.1, где для закрепления затрубного грунтового массива предусматривается использование инъекционных технологий.

Выполнение вокруг действующего трубопровода массива закреплённого грунта позволяет существенно увеличить  изгибную жёсткость конструкции. В Санкт-Петербурге  инженерные коммуникации проложены в пылеватых водонасыщенных песках или структурно-неустойчивых пылевато-глинистых грунтах на глубинах 2,5 м и более. В таких условиях современные технологии закрепления основания могут дать наибольший эффект.

Рис.1. Схема закрепления затрубного грунтового пространства для действующего трубопровода с использованием инъекционных технологий

Другой актуальный проблемой является закрепление технологических котлованов, устраиваемых при ремонте или прокладке коллектора. Применение инъекционных технологий позволяет обеспечить сохранность зданий исторической застройки при этом - ограждение котлованов может быть выполнено из короткого шпунтового ограждения, которое после производства всех работ остается в грунтовом массиве. Для успешной реализации закрепления пылевато-глинистых грунтов методом пропитки необходим подбор соответствующих растворов и технологических режимов инъекции.

Рассмотрим пример применения одного из перспективных методов закрепления основания. Закрепление грунтов основания рабочих камер канализационного коллектора производилось нами в слабых, водонасыщенных грунтах. Характерным примером напластования подобных грунтов является набережная реки Карповки:

 – с поверхности до глубины 3 м залегают насыпные грунты техногенного происхождения;

– ниже грунты представлены пылеватой супесью мягкопластичной консистенции, мощностью до 2-3 м;

– следующий слой - суглинок пылеватый ленточный текучей и текучепластичной консистенции, мощностью от 6 до 7,5 м;

 – ниже, слоем мощностью до 4…5 м залегает пластичная супесь с гнездами песка, гравия и гальки, с глубины 15…16 м - тугопластичная.

В связи с тем, что текучие суглинки не могут без закрепления использоваться в качестве основания днища рабочего котлована с отметкой 6 м от поверхности, нами было предложено применить технологию электросиликатизации грунтов (рис.2). Закреплению подвергался слой пылеватого ленточного суглинка мощностью 2,5 м.

 

Рис.2.  Принципиальная технологическая схема производства работ по закреплению суглинка – грунтового днища сооружаемого котлована в шпунтовом ограждении при высоком уровне грунтовых вод

 

 

 

Рис.3. Динамика изменения уровня воды по скважинам - инъекторам в процессе выполнения работ

 Производство работ по закреплению мягкопластичного суглинка осуществлялось в следующей технологической последовательности:

В процессе ведения работ  осуществлялся контроль  уменьшения влажности  массива грунта по замерам уровня свободной воды в скважинах. На рис.3  приведены данные контроля уровня воды по 80 скважинам – инъекторам обрабатываемого массива. За 14-дневный период обработки пылеватого ленточного суглинка  наибольший эффект обезвоживания грунта наблюдался по скважинам-катодам, из которых постоянно  откачивалась свободная вода.

Результат электросиликатизации проявился в изменении физико-механических свойств грунта: так модуль деформации грунта увеличился на 60%, угол внутреннего трения и сцепление почти на 70%. Проведенное локальное обезвоживание с регулярным выносом песчаной фракции привело к изменению гранулометрического состава грунта, который из категории пылеватого суглинка перешел в категорию глины. В результате закрепленное основание приобрело преимущественно полутвердую консистенцию. Коэффициент фильтрации такого грунта снизился от 0,08 м/сут до 0,003…0,006 м/сут., т.е. была создана практически водонепроницаемая завеса под днищем возводимого котлована. Проведенные работы по закреплению грунта сооружаемого котлована позволили создать условия для надежной эксплуатации всего сооружения в целом. Фактически на этом объекте был реализован физический закон электроосмоса, возможности которого не используются в полной мере при специальных работах в грунтах.

Выбор той или иной геотехнологии и оптимальных режимов по стабилизации грунтов и  созданию закрепляемого массива должен определяться на стадии проектирования в зависимости от места проведения работ, конкретных инженерно-геологических и гидрогеологических условий площадки и состояния окружающей застройки. В ряде случаев должно выполняться превентивное усиления зданий, попадающих в зону риска от ведения работ по устройству глубоких котлованов и тоннельной проходке. Закрепление грунтовых оснований может быть осуществлено с использованием струйной или манжетной технологии. С использованием струйной технологии было выполнено закрепление дна технологического котлована на ул.Учительской, торцов котлована на Кондратьевском пр., противофильтрационная завеса на пл.Труда. Подробно технологический комплекс оборудования для струйной технологии закрепления грунтов с конкретными примерами его использования представлен в №1, №2, №3 данного журнала. Перспективными представляются разработки японских геотехников. На рис.4 показан комплекс струйного оборудования для создания массива закреплённого грунта с помощью высоконапорной струйной технологии, которая позволяет получать цементно-грунтовые колонны диаметром »5м [1].

а)

б)

в)

г)

Рис.4. Технологическая последовательность закрепления грунтов большого диаметра по струйной технологии. а) погружение монитора в грунт; 1-исходный грунт;2-буровой став;3-монитор;4-уширитель;5-гидравлический насос; 6-насас для подачи цементного раствора; 7-компрессор; 8-насос высокого давления;. б)предварительный размыв скважины; в)повторный размыв; г) заполнение скважины цементным раствором; 9- готовый массив закрепленного грунта.

Выполненный нами анализ, возникающих при ведении работ по закреплению грунтов позволили убедиться в простой истине: какая бы технология ни была запроектирована, работы, выполняемые без профессионального сопровождения, приводят к неоправданным затратам и некачественной реализации проекта [2]. В связи с этим предлагается алгоритм (рис.5) решения геотехнических задач реконструкции с применением струйной технологии, позволяющий обеспечить качество выполняемых работ.

Большое значение для успешного устройства закрепления по струйной, инъекционной технологиям имеет контроль качества их выполнения. К методам контроля могут быть отнесены: отбор кернов и вскрытие шурфов с отбором образцов закрепленного грунта и последующим их испытанием; испытание колонн (опор) из закрепленного грунта статической вдавливающей нагрузкой; пенетрационные и прессиометрические испытания, позволяющие непосредственно на площадке получать прочностные характеристики исследуемого материала; объемные измерения , основанные на фиксации вводимых в процессе работ объемов вяжущего; геофизические способы контроля (радиометрические, электрометрические и акустические).

Геотехническая задача

Увеличение нагрузки на фундаменты существующего здания

Усиление деформированных фундаментов зданий

Углубление подвалов в существующих зданиях

Устройство котлованов вблизи существующих зданий

Пристройка новых зданий к  существующим сооружениям

Гидроизоляция заглубленных помещений

Проходка инженерных коллекторов и наклонных ходов  метро в слабых грунтах в условиях городской застройки

Способ решения геотехнической задачи с использованием струйной технологии

Повышение несущей способности свай усиления фундаментов

Струйное закрепление грунтов основания, днищ котлованов

Устройство свай (колонн) и анкеров

Устройство «стен в грунте» по струйной технологии

Армирование грунтов щелевыми и ячеистыми элементами

Устройство вертикальных и горизонтальных противофильтрационные завес

Анализ инженерно-геологических и гидрологических условий площадки реконструкции

Подбор технологии (одно- двух- или трехкомпонентной),  оборудования; расчет технологических параметров размыва, диаметра закрепления грунта, прогнозирование прочностных свойств закрепленного грунта, несущей способности конструкций.

Подбор рецептуры композиционных размывающих и твердеющих растворов

Проведение опытных работ на площадке строительства (реконструкции) 

Контроль качества работ.  Необходимая корректировка решения

Рис.5. Алгоритм решения задач реконструкции с применением технологии струйного закрепления грунтов

 На основе накопленного опыта можно считать, что реальным контролем качества закрепления по струйной (инъекционной) технологи может считаться следующая организация этих работ:

1.       объемный контроль: контроль глубины бурения скважины; оценка качества приготовления цементного раствора (соблюдение проектного В/Ц отношения), контроль проектного содержания вводимых добавок; порядка введения добавок; фиксация скорости подъема монитора из скважины и частоты его вращения; фиксация объема цементного раствора, подаваемого в грунт по длине буровой скважины с записью всех указанных выше параметров в журнал производства работ.

2.       испытание статической вдавливающей нагрузкой: >контрольные работы выполняются после набора прочности цементогрунта в соответствии с действующими требованиями норм и стандартов.

3.       отбор кернов: отбор кернов из закрепленного массива  через 0,5-1м по глубине скважины в нескольких местах по сечению. При контрольном бурении производится визуальная оценка всего керна по глубине с занесением данных в журнал, определение прочности цементогрунта. Устанавливаются размеры и количество  агрегатов грунта в массиве закрепленного грунта.

4. мониторинг за состоянием соседних зданий.

Накопленный в Санкт-Петербурге опыт применения инъекционных технологий позволяет рекомендовать их к применению для решения широкого спектра геотехнических задач. При этом следует уделять особое внимание выбору технологических приемов и параметров, адекватных конкретной геотехнической ситуации.

ЛИТЕРАТУРА

1.    Патент Японии № 1-14380 (1989). Способ улучшения грунта и гидромонитор для его реализации. Касима кэнсэцу.

2. Улицкий В.М., Шашкин А.Г.  Геотехническое сопровождение реконструкции городов. - М. Издательство «АВС».,1999г.-325с.