Введение

Последние годы в Санкт-Петербурге активно ведутся строительство и реконструкция зданий в центре города, к уже существующим зданиям пристраиваются новые – здания-«встройки», в которых часто предусматривается строительство подземных гаражей. Однако физико-механические, в частности, деформационные свойства слабых глинистых грунтов, расположенных в пределах селитебной территории Санкт-Петербурга, зачастую не отвечают требованиям проектировщиков. Такие грунты не могут рассматриваться в качестве надежного основания. В большинстве случаев непосредственно под слоем техногенных грунтов залегают водонасыщенные слабые глинистые отложения. Их мощность может доходить до полутора десятков метров. При строительстве новых зданий и сооружений эти грунты неизбежно вовлекаются в зону техногенного воздействия. Они характеризуются наличием слоистости, повышенной деформативностью, анизотропией свойств и фракционно изменяются от глин до супесей. В среднем по гранулометрическому составу они содержат: глинистых фракций – 17–53%, пылеватых – 36–67%, песчаных – 8–16%, естественная влажность грунтов изменяется от 20 до 35%. Глинистые отложения представляют собой, как правило, агломераты, состоящие из полевого шпата, кварца, хлорита, каолинита, гидроокислов железа и алюминия, апатита, гипса и др. [1].

В результате техногенных воздействий строительные свойства слабых грунтов существенно ухудшаются, что негативно сказывается на окружающей застройке. Для стабилизации слабых грунтов необходимо проведение превентивных мероприятий.

Вопросами стабилизации слабых грунтов в нашей стране занимались Ю.М. Абелев, С.Д. Воронкевич, Г.Н. Жинкин, В.Ф. Калганов, М.Н. Першин, Б.А. Ржаницин, А.Н. Соколовский, В.Е. Соколович, А.Н. Токин, а за рубежом – А. Добсон, Л. Казагранде и др.

Стабилизация грунтов в условиях нового строительства существенно проще, чем при реконструкции, и может быть достигнута различными путями. Один из них предусматривает создание системы «грунт–вяжущее» путем использования природного грунта в качестве наполнителя и сырья при обезвоживании и уплотнении массива грунта, другой – коренное видоизменение исходного грунта. В нашей стране разработаны и реально внедрялись различные методы улучшения свойств грунтов: силикатизация, замораживание, кольматация, электрохимическое закрепление, электроискровая обработка, цементация, битумизация, смолизация, термическое упрочнение, известкование. С.В. Воронкевич для нужд технической мелиорации грунтов разработал классификацию методов их искусственного улучшения, в которой в зависимости от исходных природных свойств грунтов предусмотрены мероприятия по их изменению [3]. Однако не все из вышеприведенных методов применимы для производства реконструкционных работ в условиях плотной городской застройки. На успешность их применения существенно влияют исходные свойства грунтов площадки – проницаемость, пористость, гранулометрический состав, обводненность, активность породообразующих минералов.

Для закрепления глинистых грунтов широко используется цементация, реже – элекросиликатизация и известкование грунтов. Для обработки тяжелых суглинков и глин в строительстве в качестве вяжущего широко применяются портландцемент и известь. Регулируя свойства и содержание вяжущего, повышая степень его дисперсности и активности, можно существенно повышать прочность и водоустойчивость слабых глинистых грунтов. Для улучшения свойств и качества твердеющих смесей при введении в грунты вяжущих материалов необходимо использовать специальные химические добавки.

При обработке глинистых грунтов известью обеспечивается коагуляция глинистых частиц, понижается липкость грунтов, устраняются усадка и набухание грунтов. Традиционно при известковании глинистых пород расход извести находится в пределах 5–10% от массы смеси, для закрепления пылеватых грунтов необходимо 8–12%. Обработанные известью глинистые грунты набирают прочность медленнее, чем грунты, обработанные цементом, из-за длительности процессов кристаллизации Ca(OH)₂ и карбонизации породы, что необходимо учитывать при проектировании работ. Для ускорения процесса набора прочности грунтов, обработанных известью, необходимо применение специальных химических добавок (жидкое стекло – 2%, хлористый кальций – 0,5–1,5%).

Технологии глубинного закрепления глинистых грунтов

В условиях слабых грунтов площадки строительства проектировщики, как правило, применяют свайные фундаменты, например, сваи по технологии «Бауэр» с опиранием острия свай на плотные слои грунта. Стоимость такого фундамента сравнительно высока. Появление на строительном рынке современной техники по надежному закреплению слабых глинистых грунтов может позволить проектировщикам уменьшить конечную стоимость проекта.

Для глубинного закрепления лессовидных суглинков цементами в нашей стране в 1950–70-е гг. достаточно широко применялся буросмесительный способ разработанный в НИИОСП по предложению В.Е. Соколовича [4]. Специально для изготовления цементогрунтовых свай на Кунгурском машиностроительном заводе был изготовлен буровой агрегат IБА-15В. Буросмесительный метод закрепления разрабатывался СибЗНИЭПом, однако, технология и оборудование для устройства цементогрунтовых свай буросмесительным методом не получили широкого применения.

Для глубинного закрепления слабых водонасыщенных глинистых грунтов Санкт-Петербурга перспективно применение метода струйного перемешивания вяжущего с исходным грунтом – технология Jet Grouting. При этой технологии традиционно для закрепления грунтов используется цементное молоко. При выполнении закрепления грунта по струйной технологии диаметр получаемой грунтоцементной колонны зависит от свойств грунта и большого числа технологических параметров: давления, расхода, скоростей вращения струи и подъема из скважины бурового инструмента и др. Отсутствие надежной инженерной методики определения диаметра закрепляемого грунта и повышенный расход цемента сдерживают широкое применение этой технологии.

Представляет интерес буросмесительное оборудование по введению в предварительно разрыхленный слабый грунт сухого вяжущего в соответствии с технологией Dry Jet Method (рис. 1).


а			б

Рис. 1. Буросмесительный инструмент установки для стабилизации слабых грунтов. (Япония, 1996 г.): а – внешний вид рабочего органа; б - схема закрепления грунта (1– защитный кожух; 2 – канал для подачи воздухом вяжущего; 3 – колонна закрепленного грунта)

По этой технологии, широко применяемой в Японии, вяжущее вводится в грунт в сухом состоянии, подача его осуществляется воздухом через специальные воздушные сопла. Применение бурового инструмента (рис. 2) позволяет вводить вяжущее и в затворенном водой состоянии. Расположенные на буровом инструменте-смесителе лопасти жестко определяют диаметр закрепляемой колонны и служат для измельчения и перемешивания исходного грунта с поданным в скважину вяжущим. При использовании технологии Dry Jet Method (DJM) количественная подача вяжущего синхронизирована применением ЭВМ и микропроцессорной техники с вращением и вертикальным перемещением бурового инструмента. Японские геотехнические фирмы «Sanva Ciszal» и «Cocken Boring» на базе серийно выпускаемых буровых установок создали ряд агрегатов для изготовления грунтобетонных свай диаметром до 1,0 м и глубиной до 35,0 м буросмесительным методом [2]. Слабый грунт площадки перемешивается лопастями, а через воздушные сопла вяжущее может подаваться при погружении или при извлечении бурового инструмента. Исходя из проектных требований, предъявляемых к закрепленному грунту, назначаются технологические параметры: необходимое количество вяжущего, скорость подъема и число оборотов бурового инструмента.

Качество закрепления контролируется с помощью автоматизированной системы сбора и обработки данных (глубина погружения, число оборотов, скорость подъема и опускания бурового смесителя, поинтервальное количество вводимого в грунт вяжущего). Скорости первичного погружения бурового смесителя в грунт и подъема с введением вяжущего могут изменяться от 0,5 до 1,0 м/мин в зависимости от свойств грунта площадки. Эти параметры могут быть заложены в систему контроля как стандартные для данной площадки, и при их несоблюдении включается сигнализация, при этом все данные сохраняются для последующего отчета на бортовом компьютере. Объем и свойства вяжущего назначаются после проведения специальных лабораторных опытов с образцами грунта реальной площадки. Производительность такой установки может составлять до пяти-шести 30-метровых колонн закрепленного грунта в смену. Для устройства «стен в грунте» из закрепленного грунта уже давно применяются буровые установки с одновременным бурением 2–4 буровыми штангами (см. рис. 2, б).

а				б

Рис. 2. Буросмесительный инструмент (Япония, пат. №64-11769, 1982 г.):
а – схема инструмента; б – формирование «стены в грунте»; 1 - буровая штанга;
2 – лопасти для перемешивания грунта; 3 – внутренняя труба;
4 – породоразрушающий инструмент; 5 – вертикальное сопло; 6 – горизонтальные сопла; 7 – уплотнение; 8 – струя; 9 – канал для подачи вяжущего; 10 – вращатель

Безусловный интерес представляют разработки геоинженеров из фирмы «Soil-Mec» по объединению преимуществ буросмесительной и струйной технологий. Это технология «Turbojet», при которой диаметр закрепляемой колонны жестко обеспечивается механическим путем, а однородность материала и конечная прочность – высоконапорной струей цементного раствора. Прочность грунта, закрепленного буросмесительным методом, может варьироваться от 30 до 90 кг/см².

Однако при внедрении этих геотехнологий на отечественных стройплощадках необходимо учитывать: возможные осложнения при проходке крупнообломочных включений в техногенных грунтах; необходимость полной герметичности всех соединений в нагнетательной линии в случае подачи вяжущего в грунт воздухом; проведение операции по очистке выбуренного из скважин грунта, при использовании извести – следует учесть удлинение сроков набора прочности. При использовании соответствующего оборудования потребуются строительные площадки значительных размеров.

Материалы, применяемые при глубинном закреплении грунтов

При использовании цементного молока для закрепления слабых грунтов значения конечной прочности полученного материала могут иметь большой разброс. Глинистые частицы, попадающие в цементный раствор, способствуют снижению механической прочности цементного камня. При закреплении грунтов зачастую нужна не высокая прочность, а стабильные проектные значения.

При введении в исходный цементный раствор добавки извести до 2% в виде известкового молока (по данным, полученным в ВИТР) увеличивается прочность цементного раствора и уменьшается размокающее действие на окружающие глинистые грунты (табл. 1 и 2). Обработанные известковым раствором глинистые грунты снижают гидратацию и пептизацию глинистых частиц, а также набухание и вспучивание.

Таблица 1

Показатели цементных растворов

Состав смеси, масс. %	Водоцементное отношение	Стабильность через 2 ч., г/см³	Набухание образца глинистого грунта в фильтрате раствора, %	Предел прочности на сжатие в возрасте 7сут., кг/см²
Цемент 100 Суглинок 50	1	0,20	80	30
Цемент 100 Суглинок 50 Известь 2	1	0,30	46	42
Цемент 100 Суглинок 50 Na₂SiO₃ 2	1	0,31	48	32
Цемент 100 Суглинок 50 Сульфат алюминия 2	1	0,32	51	32

Таблица 2

Размокаемость образов на приборе Знаменского–Хаустова

Состав смеси, масс. %	Вязкость суспензии по ВП-5, с	Время размокаемости образца, мин
Цемент 100 Вода 100	18,5	15
Цемент 100 Вода 100 Известь 1	19	21
Цемент 100 Вода 100 Известь 2	19,5	26
Цемент 100 Вода 100 Жидкое стекло 1	20,0	20,0
Цемент 100 Вода 100 Сульфат алюминия 1	19,0	19,5

Известь может вводиться в грунт в виде гашеной извести Ca(OH)₂ («пушонка», известковое тесто) и в виде негашеной CaO (молотая «кипелка»). При обработке грунтов известью происходят следующие физико-химические процессы:

При использовании известкового теста нужно учитывать, что для твердения необходимо продолжительное время, кроме того, известковое тесто при твердении может дать усадку [3]. При известковании грунтов большую роль играет влажность затворения. Оптимальная влажность грунтов, по И.В. Егорову, определяется как W₀=W_опт+1,5+0,2D, где W_опт – оптимальная влажность грунта, определенная стандартным методом; D – количество извести.

При введении в водонасыщенный грунт негашеной молотой извести происходит процесс гашения с выделением тепла:

CaO+H₂O® Ca(OH)₂ +15,5 ккал.

Гидрат окиси кальция выделяется в тонкодисперсном состоянии, при гашении 1 кг извести выделяется 277 кал, причем объем увеличивается в 2–3,5 раза. При использовании в качестве добавки хлористого кальция могут образовываться соединения типа цемента Сорреля: nCaO·CaCl₂·6H₂O. Введение солей натрия также увеличивает прочность известкованных грунтов. При введении негашеной извести в водонасыщенные глинистые грунты по буросмесительной технологии свободная вода будет использована на ее гашение, что приведет к подсушивнию окружающих грунтов, которые со временем переходят в более плотное состояние. Закрепление грунтов известкованием широко распространено в странах Скандинавии при устройстве дорог. Применение извести в качестве вяжущего в наших условиях сдерживается рядом факторов: ее стоимость близка к стоимости цемента, а закрепленный известью (без добавок) грунт набирает прочность значительно дольше. При проектировании закрепления грунтов известкованием необходимо учитывать, что известково-глинистые грунты как конструкционный материал не получили широкой апробации и для их промышленного применения необходимо проведение дополнительных исследований.

Выводы

Появление на строительном рынке техники и технологий по надежному глубинному закреплению слабых глинистых грунтов в отдельных случаях позволит проектировщикам отказаться от дорогих буровых свай.

Глубинное закрепление грунтов буросмесительным способом для строительных целей в прошлом широко использовалось в нашей стране, однако, невысокий уровень оборудования не позволил занять этому методу должное положение в арсенале геоинженеров. Западные компании довели оборудование для закрепления грунтов до практического применения. Представляется перспективным использовать эти возможности для подготовки основания при строительстве новых зданий и устройстве ограждений котлованов (см. рис. 3), противофильтрационных завес. Даже в стесненных условиях городской застройки приведенные выше технологии могут эффективно применяться для закрепления слабых глинистых грунтов Санкт-Петербурга. Перспективно также их применение и в дорожном строительстве (см. рис. 3, а). Непременным условием внедрения современных геотехнологий является обязательное ведение пооперационного контроля качества всех проводимых работ на строительной площадке.

Рис. 3. Глубинное закрепление грунтов DJM:

а – расположение закрепленных колонн в плане; б – откопанные тангенциальные колонны закрепленного грунта

Список литературы

1. Жинкин Г.Н., Калганов В.Ф. Закрепление слабых грунтов в условиях Ленинграда. Л.: Стройиздат, 1967.

2. Шапошников А.В. Разработка расчетных параметров закрепления просадочных грунтов цементом: Дисс. . . канд. техн. наук. М., 1986.

3. Гончарова Л.В. Основы искусственного улучшения грунтов. М., 1973.

4. А.Н. Токин. Фундаменты из цементогрунта. М.: Стройиздат, 1984.

N5, 2002

ГЛУБИННОЕ ЗАКРЕПЛЕНИЕ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ

БОГОВ С.Г.