N1(4), 2001

 Технологические аспекты закрепления пылеватых грунтов Санкт-Петербурга

С.Г.Богов

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.


Строительство подземных гаражей, пешеходных переходов, наклонных ходов метро, прокладка глубоких инженерных коммуникаций, а также реконструкция в центре города требует применения щадящих геотехнологий для стабилизации грунтов основания зданий, попадающих в зону влияния от строящихся подземных объектов. Также требуется выполнять закрепление днищ устраиваемых технологических котлованов. Проведению работ по закреплению грунтов должна предшествовать разработка проектной документации, в которой должны быть заданы требуемые прочностные и фильтрационные свойства закрепленного массива грунта. Поэтому для модификации грунтов в зависимости от поставленной задачи должны применяться соответствующие технологии и растворы. Последние годы в Санкт-Петербурге широко стали применять закрепление практически всех грунтов (связных и несвязных) простым инъекционным методом, при реализации которого через установленные в грунте трубы в массив закачивается цементный раствор. Разновидностью способа является так называемая "манжетная технология", позволяющего осуществлять поинтервальную инъекцию массива с возможностью свободного варьирования интервалов закрепления. Согласно "манжетной технологии" в грунт требуется установить манжетные трубы, которые после окончания инъекционных работ остаются в грунте, что осложняет дальнейшее производство земляных работ при устройстве котлованов. Перед планированием усилительных работ необходимо учитывать, что инъекция укрепляющего раствора сразу после установки в грунт манжетных труб невозможна, так как требуется выдержка времени для набора прочности обойменного раствора. Водонасыщенные пылеватые грунты, обладающего низкой проницаемостью, не поддаются инъецированию грубыми водоцементными растворами в режиме пропитки, инъекция осуществима лишь в виде гидроразрывов. Уплотнить же водонасыщенные пылеватые пески возможно лишь при выдавливании из его пор воды. С учетом этого и должно назначаться количество и углы наклона устанавливаемых в грунт манжетных труб, шаг манжет, параметры инъекции (давление, расход), свойства нагнетаемых растворов.

Применение струйной технологии является более технологичным способом закрепления грунтов. Пески, в том числе и пылеватые, широко распространенные в Санкт-Петербурге, хорошо размываются струей жидкости, но для их качественного закрепления требуется расчет и соблюдение ряда технологических параметров: скорости вращения бурового инструмента и скорости подъема монитора из скважины, скорости размыва необходимого диаметра скважины; соотношения расхода и давления закачиваемой жидкости. Расход подаваемой жидкости должен обеспечивать проектный размер размыва (зоны закрепления) грунта, но а также вынос из скважины частиц исходного грунта определенного размера. У струйной технологии также имеется и ряд нерешенных проблем. При размыве природных грунтов струей цементного раствора значительная часть раствора изливается из скважины и не используется "в деле". Излившийся из лидерной скважины раствор, перемешанный с грунтом, должен быть собран и удален с площадки, так как регенерировать его фактически не удается. При больших объемах работ речь идет о десятках кубометров пульпы. Прочность получаемого цементогрунта при размыве пылеватых песков цементными растворами может достигать величин значительно выше требуемых (100 кг/см2 и более). При закреплении грунтов по струйной технологии цементами отечественного производства требуется введение в технологическую последовательность работ дополнительной операции по очистке приготовленного цементного раствора, в противном случае происходит засорение сопел монитора, что очень опасно при работе с высокими давлениями (40-70 МПа).

 Для закрепления пылеватых песков перспективным представляется использование силикатных растворов с заданным временем отверждения. Вязкость силикатных растворов до начала гелеобразования близка к вязкости воды. Применение двухкомпонентной технологической схемы  закрепления грунтов, когда струйное оборудование имеет два канала для подачи раствора в грунт, позволяет производить раздельную подачу силиката натрия и отвердителя (кремнефтористоводородной кислоты, хлористого кальция или ортофосфорной  кислоты и др.).  По имеющемуся в двухкомпонентном мониторе воздушному каналу возможно осуществить также подачу в качестве отвердителя углекислого газа СО2. При закреплении силикатными растворами прочность модифицированного грунта может варьировать от 5 до 30 кг/см2 , при этом поровое пространство грунта будет заполнено силикатным гелем. На эффектив­ность применения струйной техноло­гии закрепления грунтов оказывает влияние большое число факторов: давление и расход размывающей жидкости; скорости подъема и вращения струи; скорость истечения струи, ком­пактность струи, скорость размыва природного грунта. Не менее важными являются реологические свойства применяемых растворов, а также технологическая  последователь­ность ведения работ. В проекте по закреплению грунтов по струйной технологии необходимо определить и задать ряд технологических параметров: давление и расход жидкости, диаметр зоны закрепления, шаг лидерных скважин и т.д. Это может потребовать проведения опытных работ на месте строительства (реконструкции). Разнородное напластование грунтов площадок (пески; супеси, суглинки различных консистенций) в пределах зон закрепления требует применения различных технологических параметров для реализации проектного решения по их закреплению. Для надежного закрепления грунтов нами разработана конструкция специального монитора, сопла которого расположены не традиционно - перпендикулярно к стенкам скважины, а вверх, под углом к горизонту таким образом, что осевые линии сопел  имеют заранее заданную точку пересечения в пространстве (см. рис.1а).  При этом верхние сопла установлены под небольшим углом a³0, нижние под углом  b.

Для такого монитора радиус закрепляемой области можно определять  из соотношения:

R=rm+Htgb,
   (1)

где rm- радиус корпуса монитора; H-расстояние между верхними и нижними соплами; b- угол наклона нижних сопел к горизонту.

Количество устанавливаемых в мониторе сопел и их диаметр определяется из производительности применяемого инъекционного насоса. Расход воды Q, прокачиваемый инъекционным  насосом через одно сопло, может быть определен из соотношения:

  (2)

где – Р0 - давление нагнетания раствора, МПа; d0- диаметр сопла, мм.

а)

б)

Рис.1 Особенности струйной технологии: а- специальный двухкомпонентный монитор; б- закрепление грунта по винтовой линии с заданным шагом подъема

Тогда при известных параметрах  инъекционного насоса диаметр сопла монитора для закачивания раствора буде равен:

(3)

где r- плотность закачиваемого раствора, т/м3 , m-коэффициент расхода. Шаг винтовой линии h струи при вращении монитора в скважине можно определить:

(4)

где w - частота вращения струи, об/мин; V- скорость подъема монитора из скважины, м/мин. При этом можно определить объем модифицированного грунта:

(5)

где T- время размыва, мин; n- количество оборотов.

Вывод:

Применение той или иной геотехнологии закрепления водонасыщенных пылеватых грунтов должно определятся в соответствии с поставленной задачей и требуемыми конечными свойствами модифицированного грунта. Для успешного выполнения работ по закреплению грунта крайне важным является знание  всех технологических параметров процесса еще на стадии проектирования.