Грунтоцементные технологии

Анализируя материалы последних международных конференций, симпозиумов, а также отечественных публикаций и разработок, можно отметить в качестве перспективного направления метод «jet grouting» -высоконапорных инъекций твердеющего раствора в грунт. Этот метод, известный также под назанием «струйная технология», разработан в середине 70-х гг. в Японии и широко используется в ФРГ, Италии, Франции, Англии. Инженерная идея оказалась настолько плодотворной, что в течение последнего десятилетия технология струйной цементации мгновенно распространилась по всему миру, позволяя не только более эффективно решать традиционные задачи, но и найти новые решения иных многочисленных сложных проблем в области подземного строительства (рис. 4.57, 4.58).

Сущность технологии заключается в использовании энергии высоконапорной струи цементного раствора для разрушения и одновременного перемешивании грунта с цементным раствором в режиме «mix-in-place» (перемешивание на месте). После твердения раствора образуется новый материал - грунтобетон, обладающий высокими прочностными и деформационными характеристиками.
Технологическая последовательность работ по такому методу заключается в следующем (рис. 4.59): производят бурение скважины 7; в скважину погружают инъектор 2 со специальным калиброванным отверстием - соплом; подают под большим давлением (до 100 МПа) инъекционный раствор; осуществляют подъем инъектора с одновременным его вращением; формируют сваю нужного диаметра или стенку из свай.
Важным фактором укрепления массива грунта или усиления фундаментов с использованием струйной технологии является возможность поддержания больших давлений (до 80-100 МПа). Это предъявляет определенные требования к используемому оборудованию, подводящим трубопроводам и пр. Поскольку разрушение и замешивание грунта требуют высоких значений кинетической энергии струи раствора, для реализации схемы струйной цементации необходимо применение мощного высоконапорного цементировочного насос от 400 до 1000 атм.

Другой важной частью технологического оборудования является монитор, оснащенный соплами. Назначение сопел - преобразование высокого давления раствора, развиваемого цементировочным насосом, в кинетическую энергию струи. В связи с высокими абразивными свойствами цементного раствора сопла изготавливаются из специального металлокерамического состава. В зависимости от типов грунтов и необходимого рабочего давления, которое создается на выходе из сопла, различают три основные типа мониторов. Первый тип монитора позволяет нагнетать в грунт однокомпонетный цементный раствор под давлением до 800 атм (рис. 4.60).

Второй тип монитора совместно с цементным раствором с давлением до 500 атм нагнетает в грунтовый массив воздух с давлением до 12 атм или воду под давлением до 500 атм (рис. 4.61). Такое технологическое решение позволяет расширить объем инъецированного грунта.

Третий тип монитора позволяет производить тройную инъекцию грунта (цементный раствор + вода + воздух) с давлением до 700 атм (рис. 4.62). В этом случае производится разрыв межмолекулярных связей между частицами грунта и создаются благоприятные условия для инъекции.

В качестве примера можно привести успешно реализованные проекты усиления оснований и фундаментов опоры моста через Дунай (рис.4.63) и памятника военной архитектуры в Вене (казармы Россауэр).

Последний был построен в 1870 г. на деревянных сваях (рис. 4.64).

Необходимость усиления определили 2 фактора: резкое увеличение нагрузок в связи с заменой перекрытий и гниение голов свай из-за понижения горизонта подземных вод. Разрабатывались конкурсные варианты усиления оснований и фундаментов. Была выбрана струйная технология. Фактически принятая технология удовлетворяла всем расчетным геотехническим и конструктивным требованиям:
- исключение из работы деревянных свай со сгнившими головами;
- передача давления от массивного 5-этажного здания с размерами в плане 136x275 м на прочные гравийно-щебенистые грунты;
- ружной стороны;
- полная стабилизация всех осадок при увеличенной нагрузке.
Учитывая необычность такого рода усиления и дискуссионность отдельных технологических моментов, остановимся подробно на деталях, имеющих отношение к дальнейшему анализу. Для инъекции растворов использовали буровую установку на гусеничном ходу SC-1 фирмы «Keller» (ФРГ). Габариты установки позволяли ей перемещаться через проем шириной 0,8 м и работать в подвальном помещении при высоте 2,8 м.
Основные преимущества струйной технологии в условиях слабых грунтов: возможность ведения работ в любых неблагоприятных грунтовых и в стесненных условиях; экологическая чистота всех технологических операций. По сравнению с традиционными технологиями инъекционного закрепления грунтов струйная цементация позволяет укреплять практически весь диапазон грунтов - от гравийных отложений до мелкодисперсных глин и илов (рис. 4.65).

Однако струйная технология имеет и ряд недостатков, основными из которых являются: опасность локальных деформаций в процессе временного размыва грунтового массива под фундаментом до набора прочности; высокая стоимость и материалоемкость из-за больших объемов закрепления грунта; повышенная опасность при работе с высоким давлением.