Область применения струйной технологии

По функциональному назначению выполненных грунтобетонных конструкций их можно разделить на несколько категорий: противофильтрационные и противосуффозионные завесы (горизонтальные и вертикальные), ограждение котлованов, закрепленный (армированный) грунтобетонный массив, закрепленный грунт в основании существующих зданий и сооружений, закрепленный массив грунта при проходке тоннелей и шахт [4].

Противофильтрационные завесы.Как указывалось выше, в зависимости от режимов струйной технологии противофильтрационные завесы могут быть в виде: касательных (рис. 7.7, а) или секущихся (рис. 7.7, б) свай; плоских панелей (рис. 7.7, в), горизонтальных завес из секущихся свайных элементов (рис. 7.7, г).

Технологические схемы устройства противофильтрационных завес рассмотрены в разделе 7.2.

К материалу противофильтрационных завес предъявляются жесткие требования по водонепроницаемости, водоустойчивости, а также сплошности всей конструкции.

Рис. 7.7. Конструкции подземных сооружений, устраиваемых
по струйной технологии:

a –касательные сваи; б –секущиеся сваи; в, г –панели (диафрагмы)

При устройстве завес необходимо производить все виды контроля качества при производстве работ: входной контроль, пооперационный и т. п. Помимо контроля качества необходимы инженерно-геологические изыскания на стадии проектирования, а также лабораторные и полевые исследования закрепляемости грунтов в данных геологических условиях. В качестве вяжущего чаще всего применяется цементный раствор.

Для увеличения водонепроницаемости грунтоцемента могут использоваться либо специальные гидрофобные добавки, аналогичные и для бетонов, либо специальные глиноцементные растворы, приготавливаемые из бентонитовых или местных глин. Подбор состава цементного или глиноцементного раствора подбирается опытным путем для конкретных инженерно-геологических условий площадки и для каждого объекта исходя из проектных требований по водонепроницаемости.

Ограждения котлованов.Конструкции ограждения котлованов, как правило, выполняются в виде касательных или секущихся свай (см. рис. 7.7, а, б), которые располагаются в один или несколько рядов (рис. 7.8).

Рис. 7.8. Вариант использования струйной технологии
при реконструкции исторических зданий:

а –существующее здание; б –устройство свай под фундаментами
здания; в –удаление внутренних стен; г –устройство нового
несущего каркаса здания

Это объясняется более высокой несущей способностью свайных элементов. К грунтоцементу таких конструкций предъявляются повышенные требования по прочности, сплошности, водонепроницаемости и герметичности стыковых соединений.

В качестве вяжущего применяется цемент стандартных марок. В некоторых случаях используются различные добавки для увеличения прочности грунтоцемента. К примеру, комплексная добавка для струйной цементации (КДСЦ), разработанная отечественной компанией, повышает однородность и прочность грунтоцемента, а также увеличивает диаметр свай на 15-20 % [28]. Для увеличения несущей способности ограждения сваи армируются арматурными каркасами, стальными трубами либо прокатными профилями (двутаврами, швеллерами).

Закрепление грунтов (армирование грунтов).Одним из основных назначений струйной технологии является закрепление слабых грунтов, от пылевато-глинистых до гравийно-галечниковых.

Глубина закрепления слабых грунтов может достигать 30-40 м.

В качестве вяжущего используются цементный, бентонито-цементный растворы.

В США с помощью струйной технологии производится захоронение токсичных и радиоактивных отходов, а также обработка грунтов, загрязненных такими отходами. По контуру площадки, где находились вредные отходы, устраивались горизонтальные и вертикальные диафрагмы, при этом использовался специальный раствор, позволяющий достичь значений коэффициента фильтрации
k_f = 10^–10 см/с.

При обработке грунтов, загрязненных токсичными отходами, используются специальные химические реагенты, связывающие и герметизирующие вредные частицы.

В нашей стране струйная технология использовалась для уплотнения просадочных грунтов путем их замачивания на требуемую толщу, при этом в некоторых случаях устраивались песчаные дрены.

Уплотнение просадочных грунтов таким способом может производиться по двум схемам:

– первая схема подразумевает локализацию замачиваемой площадки путем устройства вертикальных противофильтрационных завес с последующим устройством дренажных прорезей (рис. 7.9);

– вторая схема подразумевает обработку просадочного грунта водяной струей для разрушения его макропористой структуры
(рис. 7.10), которая после консолидации становится более плотной.

При этом просадочные свойства грунта практически полностью устраняются.

Первая схема применяется при уплотнении грунтов вблизи существующих зданий, для защиты их оснований от замачивания при производстве работ.

Вторая схема применяется при уплотнении просадочных грунтов на незастроенной территории, либо в случае, когда существующие здания находятся на безопасном расстоянии.

При уплотнении просадочных грунтов по второй схеме, разрушение грунта может происходить затопленными струями, когда уровень пульпы находится выше струи, и незатопленными струями, когда уровень пульпы находится ниже струи.

Рис. 7.9. Уплотнение просадочных грунтов по первой схеме:

1 – котлован; 2 – противофильтрационная завеса; 3 – дренажные
прорези (песчаные дрены); 4 – граница просадочной толщи

Рис. 7.10. Уплотнение просадочных грунтов

активным замачиванием:

1–грунт, обработанный незатопленными струями; 2–грунт,
обработанный затопленными струями; 3–порядок обработки грунта;
4– направление движения буровой установки

При закреплении слабых грунтов, укреплении откосов, в зависимости от проектных решений и требований, закрепленные массивы грунта могут быть следующих видов:

• одиночные сваи (рис. 7.11, а);

• панельный тип массива (рис. 7.11, б);

• решетчатый тип массива (рис. 7.11, в);

• блочный тип массива (рис. 7.11, г).

Рис. 7.11. Типы закрепленных массивов:

а –одиночные сваи; б –панельный тип; в – решетчатый тип;
г –блочный тип; 1 – касательные сваи; 2 – секущиеся сваи

По виду соединения грунтоцементных свай различают:

• касательные сваи;

• секущиеся сваи.

Массивное закрепление грунтов применяется при строительстве зданий и сооружений, в дорожном строительстве, строительстве портовых сооружений и площадок различного назначения и др. За рубежом струйная технология также используется для закрепления грунтов в основании грунтовых плотин и дамб. Также возможно использовать комбинированное закрепление грунтов (рис. 7.12), когда сверху производится массивное закрепление, а нижние слои закрепляются одиночными грунтоцементными сваями.

Рис. 7.12. Комбинированный тип закрепленного массива:

1 – объемное закрепление; 2 – грунтоцементные сваи;
3– слабый грунт

Фундаменты зданий и сооружений.Как правило, с помощью технологии струйной цементации выполняются свайные либо фундаменты глубокого заложения - колодцы, стена в грунте. Свайные фундаменты, устраиваемые по струйной технологии, как правило, работают только на вертикальную нагрузку, что характерно для свайно-плитных, кольцевых и свайных ленточных фундаментов. Армирование грунтоцементных свай производится прокатными профилями (трубами, двутаврами), сварными каркасами, а также забивными железобетонными сваями (рис. 7.13). Грунтоцементные висячие сваи обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными видами свай (забивными, буровыми, набивными и др.) [15]:

• грунт в околосвайном пространстве уплотняется и упрочняется за счет воздействия струи, а также за счет внедрения излишков цементного раствора в окружающий грунт под действием гидравлических микроразрывов, при этом (по результатам исследований) прочностные характеристики грунта увеличиваются примерно на 20-30%;

• на контакте «свая-грунт» образуется пограничный слой из чистого цементного камня, за счет которого повышается сопротивление по боковой поверхности сваи;

• сваи имеют более развитую волнообразную поверхность;

• подошва сваи опираются непосредственно на несущий слой грунта, а не на буровой шлам, как при устройстве буровых свай;

• возможность устройства свай в любых инженерно-геологических условиях.

Рис. 7.13. Устройство свайных фундаментов с помощью
струйной технологии:

а –армирование стальной трубой; б –армирование прокатным

профилем; в –армирование железобетонной сваей: г –повышение

несущей способности буровой сваи; д, е –повышение несущей

способности забивной сваи; 1 – грунтоцементная свая; 2 – стальная труба; 3 – прокатный профиль; 4 – железобетонная свая: 5 – буровая свая; 6 – стальная или пластиковая труба; 7 – грунтоцементный

элемент; 8 – лидерная скважина

При армировании грунтоцементных свай железобетонными сваями их несущая способность увеличивается в несколько раз за счет большого диаметра получаемой сваи (от 0,6 до 2,5 м).

Как показывает практический опыт, разрушение грунтоцементных свай происходит, прежде всего, по материалу, осадки при этом составляют несколько миллиметров [15]. Поэтому основным расчетом зачастую будет расчет по прочности материала сваи (по I группе предельных состояний).

Также струйная технология применяется для повышения несущей способности буровых свай, когда в тело буровой сваи погружается пластиковая или стальная труба, в которую после твердения бетона погружается струйный монитор, затем производится закрепление грунта под пятой сваи (см. рис. 7.13, в). Аналогичный метод используется и для забивных свай, которые опираются на неровную кровлю скального грунта: кровля такого грунта выравнивается до забивки свай с помощью грунтоцементных элементов.

Усиление фундаментов и оснований зданий и сооружений.Также одним из направлений применения струйной технологии, развивающимся как за рубежом, так и в нашей стране, является усиление фундаментов и оснований реконструируемых или аварийных зданий и сооружений [4].

Рис. 7.14. Схема усиления грунтов в основании
ленточных фундаментов:

а –односторонняя схема; б –двусторонняя схема;

1–существующий фундамент; 2–грунтоцементные сваи

По сравнению с традиционными технологиями усиления оснований существующих зданий (силикатизация, цементация и др.) струйная технология может применяться в любых инженерно-геологических условиях. В практике строительства чаще всего применяются две схемы усиления оснований, как правило, ленточных фундаментов – односторонняя и двусторонняя (см. рис. 7.14).

Усиление фундаментов зданий сводится к пересадке существующих фундаментов на грунтоцементные сваи. При этом может производиться усиление как фундаментов на естественном основании, так и свайных путем устройства дополнительных свай
(рис. 7.15).

Рис. 7.15. Схема усиления фундаментов:

а –пересадка отдельно стоящих фундаментов на сваи; б –усиление ленточник свайных фундаментов; 1 – существующий фундамент;
2–грунтоцементная свая; 3–существующая свая

При устройстве котлованов в условии плотной городской застройки с помощью струйной технологии может быть выполнено усиление основания фундаментов существующего здания, которые также служит и ограждением котлована (рис. 7.16).

Однако при проектировании, а также производстве работ по усилению фундаментов и оснований зданий и сооружений с помощью струйной технологии следует учитывать некоторые особенности, которые могут привести к негативным последствиям:

• в процессе твердения грунтоцемент может получить усадочные деформации, что может привести к появлению полостей в зоне контакта подошвы фундамента и закрепленного грунта, при этом, по некоторым исследованиям [15], образование таких полостей происходит не во всех случаях (в песках такие полости не были обнаружены);

• возможно возникновение дополнительных осадок фундаментов в период твердения и набора прочности грунтоцемента, а также снижение несущей способности основания.

Рис. 7.16. Схема устройства грунтоцементной подпорной стенки:

1 –существующее здание; 2–грунтоцементные сваи;
3– грунтовый анкер; 4 – дно котлована

Непосредственно после устройства тело сваи представляет собой грунтоцементную пульпу, имеющую свойства вязкой жидкости, таким образом, необходимо предусматривать специальные мероприятия, не допускающие развития значительных деформаций основания. К таким мероприятиям можно отнести следующие: устройство свай на расстоянии друг от друга, при котором не возникают дополнительные деформации, то есть последовательное устройство свай в этом случае недопустимо; применение быстротвердеющих растворов с максимальной вязкостью.

Инженерно-геологические условия. Технология струйной цементации применяется практически во всех грунтовых условиях, что является ее преимуществом по сравнению с другими методами закрепления грунтов и технологиями устройства инженерных конструкций (ограждение котлованов, усиление фундаментов и др.). Как правило, технологию струйной цементации не применяют в заторфованных грунтах, где более рациональными методами могут быть выторфовка и замена грунта, и технология глубинного перемешивания или технология объемной стабилизации грунтов.