Закрепление 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/м³, 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 (I_p). 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:

1. корректировать технологические параметры с целью обеспечения проектной прочности грунтоцемента и параметров устраеваемой сваи;
2. определять получаемый состав грунтоцемента в расчетном объеме сваи, включая количества грунта, цемента и воды;
3. прогнозировать прочность грунтоцемента в свае;
4. фиксировать слои отложений других неучтенных проектом видов грунтов, свойства которых могут повлиять на параметры сваи и свойства грунтоцемента.