Применение струйной цементации грунтов в условиях исторической застройки

Подземное строительство

Ц M .1

Научно-технический и производственный журнал

УДК 621.6.072

А.В. ЧЕРНЯКОВ, канд. техн. наук

Применение струйной цементации грунтов в условиях исторической застройки

Приводятся данные о конструктивных и технологических решениях с применением технологии «Jet Grouting», реализованных при устройстве глубокого котлована в слабых грунтах в процессе реконструкции Мариинского театра в Санкт-Петербурге. Показано, что испытания цементно-грунтовых конструкций можно проводить методом сейсмоакустики, так как они согласуются с результатами испытаний образцов в лаборатории.

Ключевые слова: технология «Jet Grouting», шпунт, грунтоцементные сваи, распорная плита.

В последние годы в практику геотехнического строительства в нашей стране все шире внедряются решения, предусматривающие использование струйной технологии цементации грунта («Jet Grouting»). Одним из примеров успешного применения этой технологии является устройство крепления котлована при реконструкции и строительстве новой сцены Мариинского театра (ГАМТ-2) в Санкт-Петербурге. Особенностью данного проекта является крайняя стесненность, так как к строительной площадке с одной стороны примыкает Крюков канал, а с трех других она ограничена плотно застроенными городскими улицами.

Грунтовая толща строительной площадки в верхней части представлена слабыми водонасыщенными сильно-сжимаемыми грунтами, приобретающими плывунные свойства при динамическом воздействии. До 13,5 м залегают озерно-ледниковые отложения, состоящие из пылеватых песков средней плотности, насыщенных водой, и суглинков слоистых текучей консистенции с тонкими прослоями водо-насыщенного песка.

В первоначально утвержденном проекте предусматривалось крепление котлована с помощью шпунтового ограждения высотой 21 м и устройство железобетонной стены в грунте. Принятое генпроектировщиком решение о начале разработки котлована без устройства стены в грунте оказалось необоснованным: экскавация грунта на глубину всего 4 м уже привела к существенным деформациям шпунтового ограждения и окружающей застройки.

Был предложен вариант крепления котлована, предусматривающий устройство по контуру шпунтового ограждения вертикальной стены из армированных грунтоцемент-ных свай и распорной плиты толщиной 2 м в основании котлована на глубине 12 м от поверхности земли из неармиро-ванных грунтоцементных свай (рис. 1).

Распорная плита должна была обеспечить:

- надежное защемление шпунта в уровне дна котлована;

- ограничение притока воды в котлован из нижерасположенных слоев грунтовой толщи, в том числе и в случае прорыва напорных вод;

Рис. 1. Схема конструктивных решений крепления котлована с применением струйной технологии закрепления грунта

24

9'2011

Научно-технический и производственный журнал

Подземное строительство

600 600 600 600

500 500 500 500 500

Грунтоцементные сваи 0700 мм

Грунтоцементныесваи 0700 мм

Армирующий элемент

Ц Г, Я 41 «I I»

Шпунтовое ограждение котлована

Рис. 2. Схема расположения грунтоцементных элементов. а — распорная грунтоцементная плита; б — ограждающая стена

а

* V .

* т Л.

Массив из грунтоцементныхсвай

Нагнетание Грунтоце- Массив

цементного ментная из грунто-

раствора свая 0700 мм цементных в грунт свай

Рис. 3. Формирование распорной грунтоцементной плиты

- исключение аварийных осадок зданий и сооружений, расположенных на прилегающей территории. Проектные работы выполняли ЗАО «НПО ГРФ» (распорная плита) и ОАО «КБ высоких и подземных сооружений» (устройство армированной грунтоцементной стены по наружному периметру шпунтового ограждения).

По проекту материал грунтоцементной распорной плиты должен был иметь прочность при сжатии не менее 1 МПа и модуль деформации не менее 400 МПа. Толщина плиты должна была составлять 2 м. Схема расположения грунтоцементных элементов, формирующих распорную плиту, представлена на рис. 2, а.

Грунтоцементная стена в грунте, устраиваемая вдоль внешнего периметра шпунтового ограждения по технологии Jet-1 [1], предусматривалась из трех рядов грунтоцементных свай (рис. 2, б). Она должна была снизить горизонтальные деформации шпунтового ограждения за счет увеличения жесткости наружного ограждения котлована.

Проектом предусмотрено внешний ряд буронабив-ных свай с шагом 1 м армировать двутавровыми балками № 40 длиной 16 м. Проектная высота этой стены составляла 16,5 м при толщине 1,5 м. Общая длина грунтоцементной стены составляла 474 м, прочность грунтоцемента стены не менее 1,5 МПа.

Для обеспечения проектного решения по распорной плите специалисты НПО «Космос» разработали программу производства опытных работ по закреплению грунта методом струйной цементации. В соответствии с этой программой на площадке строительства ГАМТ-2 были устроены по технологии Jet-1 и Jet-2 два куста по шесть штук опытных грунтоцементных свай с разными расходами материалов. Через месяц опытные грунтоцементные сваи были исследо-

ваны с помощью метода сейсмоакустики ООО «Геодиагностика», а также были отобраны образцы грунтоцемента для испытаний в лаборатории Петербургского государственного университета путей сообщения.

Результаты испытаний показали, что проектным требованиям удовлетворяют образцы грунтоцемента, отобранного из грунтоцементных свай, устроенных по технологии Jet-1 при расходе 350 кг цемента ПЦ500Д0, 8,75 кг добавки КДСЦ [2] и 280 л воды на 1 п. м. сваи.

Для обеспечения проектного решения по грунтоцемент-ной армированной стене НПО «Космос» также разработало программу опытных работ на площадке ГАМТ-2. Целью этих опытных работ была отработка параметров бурения скважин (размыв грунта при давлении 10 МПа), а также приемов погружения армирующих двутавровых балок. Расход материалов для устройства грунтоцементной стены был принят тот же, что и для распорной плиты.

Устройство распорной плиты осуществляли одновременно семь комплексов струйной цементации Soilmec, причем она была выполнена за шесть месяцев (с января по июнь 2009 г.). Последовательность устройства плиты показана на рис. 3.

Работы по устройству грунтоцементной стены одновременно выполняли четыре комплекса струйной цементации в течение девяти месяцев (сентябрь 2008 г. - май 2009 г.).

В процессе производства работ через 30 дней после устройства распорной плиты производился контроль толщины плиты, а также прочностных и деформационных характеристик ее материала с помощью сейсмоакустическо-го метода [3]. Для этого была пробурено 90 скважин и выполнено более 60 пар межскважинных сейсмоакустических испытаний.

Для контроля данных сейсмоакустического метода в разных зонах участка строительства было пробурено пять скважин большого диаметра (900-1200 мм), из которых с поверхности плиты отбирали образцы, которые затем были испытаны на прочность и деформативность в лаборатории Петербургского государственного университета путей сообщения.

Данные, полученные при испытаниях в лаборатории, в достаточной степени соответствовали данным сейсмоаку-стического контроля в поле. Позже при рассмотрении ответственными организациями вопросов строительства подземной части ГАМТ-2 было принято решение дополнительно произвести бурение скважин с отбором образцов с поверхности распорной плиты в раскопанных зонах для дополнительных лабораторных испытаний. С этой целью было пробурено сорок скважин в разных зонах котлована. Испытания

9'2011

25

Подземное строительство

------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

Научно-технический и производственный журнал

Ведомость контроля качества грунтоцементной распорной плиты

№ зоны Метод испытаний Прочность при сжатии, МПа Модуль деформации, МПа

1 Сейсмоакустика 7,49

2 Сейсмоакустика 6,02

3 Сейсмоакустика 5,43

4 Сейсмоакустика 8,75

Лаборатория 7,27

5 Сейсмоакустика 7,63

6 Сейсмоакустика 5,72

7 Сейсмоакустика 9,1

8 Сейсмоакустика 7,36

Лаборатория 9,98

9 Сейсмоакустика 7,49

10 Сейсмоакустика 6,09

11 Сейсмоакустика 4,98

Лаборатория 11,77

12 Сейсмоакустика 4,58

13 Сейсмоакустика 6,26

14 Сейсмоакустика 4,4

15 Сейсмоакустика 5,7

16 Сейсмоакустика 7,85

Лаборатория 10,69

17 Сейсмоакустика 7,62

Лаборатория 9,93

отобранных кернов, выполненные также в Петербургском государственном университете путей сообщения, подтвердили соответствие материала плиты требованиям проекта.

Наконец, ОАО «ПНИИИС» в качестве независимой организации произвело детальное обследование плиты с ее поверхности, для чего было пробурено 74 скважины с отбором кернов и испытанием их в лаборатории. Результаты подтвердили соответствие свойств плиты проекту. Сопоставление результатов представлено в таблице.

Для сейсмоакустического контроля стены при устройстве грунтоцементных свай вдоль внешнего периметра шпунтового ограждения через 6-8 м были заложены металлические трубы диаметром 108 мм на всю длину грунтоцементной стены. Всего было заложено 59 труб, 14 из которых позже было использовано для инклинометрических наблюдений. Межскважинные сейсмоакустические испытания производились по мере устройства участка стены через 30 дней после устройства последней скважины на данном участке. Результаты подтвердили соответствие параметров стены проектным данным.

По мере отрытия грунта из котлована и достижения отметок -4 м и -11 м вдоль всей стены через 20 м производили бурение горизонтальных скважин с отбором грунтоце-ментных кернов. Полученные результаты также подтвердили соответствие параметров стены проекту.

При этом было отмечено, что процесс закрепления грунта прослеживался по всей толще грунта и выше уровня распорной плиты. Практически вся толща слабых грунтов выше интервала струйной цементации (-12 - -14 м) превратилась в твердый грунт (грунт затвердел в виде столбов в лидерных скважинах струйной цементации, и раствор проник в межслойное пространство грунтовой толщи).

Наблюдения за осадками окружающих зданий в процессе разработки грунта в котловане показали, что они вполне совпали с проектными значениями, что подтвердило правильность выбранных конструктивных решений и высокое качество работ.

Выводы

1. Применение конструктивных решений со струйной цементацией грунта позволяет обеспечить устройство глубоких котлованов в слабой толще на территории с плотной городской застройкой.

2. С помощью струйной технологии цементации можно при необходимости успешно устраивать в основании глубоких котлованов, ограждаемых шпунтом, распорные грунтоцементные плиты.

3. Контрольные испытания цементно-грунтовых конструкций методом сейсмоакустики в достаточной степени согласуются с результатами испытаний образцов в лаборатории.

Список литературы

1. EN 12716:2001E. Execution of special geotechnical worksjet grouting (Выполнение специальных геотехнических работ. Струйная цементация).

2. Черняков А.В. Комплексная добавка для строительной смеси. Патент на изобретение №2351560 // Опубл. 10.04.2009. Б.И. № 10.

3. ВладовМЛ.,КалининВ.В.,СтаровойтовА.В.,ШалаевН.В. Опыт сейсмоакустического обследования грунтоце-ментных свай // Разведка и охрана недр. 2005. № 12. С. 18-22.

26

92011