СПОСОБ УКРЕПЛЕНИЯ СТРУКТУРНО-НЕУСТОЙЧИВЫХ ГРУНТОВ С КАРСТОВЫМИ ОБРАЗОВАНИЯМИ И/ИЛИ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ГРУНТОВ ПОСРЕДСТВОМ МИКРОСВАЙ И ИНЪЕКТОРЫ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСВАЙ
METHOD FOR STRENGTHENING STRUCTURALLY UNSTABLE SOILS WITH KARST FORMATIONS AND/OR WATER-SATURATED SOILS USING MICROPILES AND INJECTORS FOR FORMING MICROPILES

Предлагаемый способ укрепления структурно-неустойчивых грунтов, в частности, с карстовыми образованиями и/или обводненных, торфосодержащих, лессовых и др., включающий создание в процессе его реализации микросвай и используемые для формирования микросвай инъекторы, относятся к области строительства, в частности, к способам улучшения грунтов путем их упрочнения введением в грунт затвердевающих или порозаполняющих веществ, обеспечивающих отвод грунтовых вод, и может использоваться в частности, в технологиях усиления структурно-неустойчивых грунтов при подготовке площадок для строительства новых сооружений или при укреплении грунтов под фундаментами и основаниями действующих.
Структурно-неустойчивые грунты различного типа, а особенно грунты с карстовыми явлениями и суффозионными процессами в обводненных грунтах, ненадежны для любого вида инженерных сооружений, т.к. несущая способность грунтов у границ карстовых образований снижается в связи с разуплотнением грунта вокруг последних и ростом давления в основании при перераспределении нагрузки на грунты от зданий и сооружений. При этом разуплотненный грунт вокруг карстового образования имеет заниженную несущую способность по сравнению с грунтом вмещающего его массива, а нагрузку, в связи с ее перераспределением, имеет увеличенную.
Ширина зоны ослабленного основания вокруг карстового образования зависит от типа грунта, его состояния и глубины провала и требует инженерной подготовки строительных площадок для нового строительства, а также для укрепления оснований существующих зданий при решении проблем несущей способности фундамента. (Метелюк Н.С., Бучинский Ю.Л., Коваленко М.А., Горновесова Т.Г. Проектирование и защита производственных зданий в особых условиях. Киев, «Будiвельник», 1984, с. 21, рис. 5).
Известен способ, которым предусматривается создание фундамента в виде свайного поля, замедляющего рост карстовой воронки (одного из видов карстового образования) в случае ее возникновения. Расстояние между сваями не должно быть более 1/3-1/5 диаметра прогнозируемой воронки, а их длина должна превышать возможную глубину провала на 0,5-0,7 м. Устойчивость сооружения может обеспечиваться увеличением опорной поверхности фундамента путем устройства резервного числа элементов опирания консольного типа. (1).
Основным недостатком способа является невозможность повышения прочности грунтов основания, т.к. наличие свай в свайном поле не устраняет возможность карстообразования. Задаваемое рассредоточение свай в свайном поле и их длина не учитывает неоднородность грунтов основания и их реальную распределительную способность и не изменяет условия и характеристики грунта, способствующие продолжению процессов карстообразования.
Известен также способ укрепления оснований зданий на структурно-неустойчивых грунтах с карстовыми образованиями, включающий определение размера и глубины залегания карстового образования, находящегося под основанием здания, образование последовательно нескольких типов скважин, в каждую из которых вводят инъекторы, инъектируя твердеющий раствор в стенки скважин, при этом скважины образуют таким образом, чтобы при инъектировании между соседними в ряду скважинами образовывались пересекающиеся зоны уплотненного грунта, в нижней зоне разрыхленных грунтов геомассива, расположенных вокруг зоны обрушения карстового образования, формируют не менее двух рядов скважин, расположенных по линии периферии свода, в которые также, посредством инъекторов, нагнетают твердеющий раствор, формируя из твердеющего раствора по высоте карстового образования подобие стен из пересекающихся плоских по вертикали твердых элементов, затем, в нижней зоне разрыхленных грунтов геомассива, расположенных над куполообразным сводом зоны обрушения карстового образования, формируют третий тип скважин, расположенных по воображаемой поверхности куполообразного свода карстового образования и выходящих за периметр зоны, охваченной скважинами второго типа, в которые также, посредством инъекторов, нагнетают твердеющий раствор, формируя над карстовым образованием куполообразный массив хотя бы из одного слоя пересекающихся между собой плоско-параллельных элементов с образованием уплотненного геомассива грунта над куполообразным массивом, после чего образовывают по меньшей мере одну скважину четвертого типа с выходом ее в полость карстового образования, которую заполняют твердеющим раствором, с образованием в полости карстового образования объемного элемента, причем, при наличии в карстовом образовании суффозионных процессов, в полость карстового образования вводят хотя бы одну гибкую оболочку, в которую осуществляют нагнетание твердеющего раствора, после затвердевания которого дополнительно уплотняют грунт над слоями плоско-параллельных элементов куполообразного массива посредством нагнетания твердеющего раствора сверху вниз или снизу вверх в трещины и пустоты, образовавшиеся в процессе формирования куполообразного свода из плоско-параллельных элементов, кроме того, в качестве твердеющего раствора используют цементный раствор и/или сырьевую смесь, содержащую кремнеземистый компонент, газообразователь и затворитель. (2).
Недостатком известного способа является длительность технологического процесса укрепления грунта, обусловленного последовательностью формирования скважин разного типа, выполняемых после набора твердости цементных образований в скважинах - предшественниках, и сложность контроля процессов образования «подобия стен из пересекающихся плоских по вертикали твердых элементов вокруг карстового образования» и куполообразного массива из слоя пересекающихся между собой плоско-параллельных элементов по горизонтали. К тому же, необходимость формирования в грунте и в самой карстовой полости разнонаправленных твердых элементов требует специальной оснастки для каждого типа скважин, что удорожает технологический процесс.
Известно также искусственное армированное основание, которое предназначено для усиления слабых водонасыщенных и структурно-неустойчивых грунтов в основании зданий и сооружений и создается из твердеющего материала в грунтовом массиве следующим образом. В грунт через инъекторы под высоким давлением (5-20 атм) нагнетают цементный раствор. Раствор проникает через вызванные давлением гидроразрыва в каверны и трещины, расположенные между рядами инъекторов, заполняя их, что позволяет усиливать наиболее слабые зоны грунтового массива в максимальной степени. Зоны, в которые инъекционный раствор не проник, также усиливаются, так как меняют свои физико-механические свойства: в результате гидроразрыва, вызванного высоким рабочим давлением нагнетаемого раствора, сжимаются и уплотняются. Неизвлекаемые инъекторы служат элементами вертикального армирования грунта. Замоноличенные своей глухой частью в фундамент и входящие в укрепляемый грунт острием они выполняют функцию микросвай. (3).
Недостатком известного искусственного армированного основания является использование при его создании технологии гидроразрыва, не обеспечивающей вывод содержащихся в объеме укрепляемого геомассива грунтовых вод, которые, оставаясь в замкнутом объеме, могут влиять на слои грунта в основании, в которые входят острием неизвлеченные инъекторы, ослабляя их функции микросвай.
При этом, неизвлекаемые инъекторы выполняют функцию микросвай, если их верхняя глухая часть замоноличена в фундамент, и не пригодны в условиях других технологий укрепления грунтов.
Наиболее близким по существу к заявляемому способу укрепления карстовых и/или обводненных грунтов является способ укрепления грунта, включающий бурение скважин с формированием барьерного ряда и скважин основного массива, в котором скважины располагают по сетке, размеры которой пределяются проектом и зависят от состава и свойств грунтов, (их размер может быть от 1.5×1.5 м до 5×5 м.), установку в скважинах трех, различных по высоте, инъекторов, имеющих перфорированную часть, нагнетание инъекционного цементного раствора с различными наполнителями в грунт с обеспечением его гидроразрыва при давлении 5-20 атм через инъекторы под пригрузом (для более жесткой посадки инъекторов, предотвращения сдвижки при нагнетании в них раствора под высоким давлением и удержания инъекторов на участках крутых склонов или откосов котлована на уровне поверхности земли, их обвязывают элементами горизонтального армирования: сталь круглая от 10-20 мм или стальная проволока). Инъекторы после укрепления грунта не извлекают из него, но освобождают от пригруза. (4).
Основным недостатком известного способа является использование технологии гидроразрыва грунтов, определяющей повышенные энергозатратность и материалоемкость. При гидроразрыве слабых водонасыщенных и структурно-неустойчивых грунтов укрепляемого геомассива не исключается образование трещин и каверн в изменяемом грунте, куда могут устремляться содержащиеся в нем грунтовые воды. Неуправляемость процесса заполнения каверн и трещин цементным раствором с наполнителями, имеющим достаточно большой срок выдержки для необходимого набора прочности, может привести к большим потерям цементного раствора из-за его непосредственного контакта с грунтовыми водами, которые могут присутствовать в различных слоях грунта, а при формировании гидроразрывом каверн и полостей могут формироваться в направленные потоки.
Недостатком используемых в способе инъекторов является необходимость их пригруза из-за возможности выталкивания из скважин при подаче цементирующих смесей, что усложняет технологию укрепрления грунтов.
Известен инъектор для укрепления просадочного грунта в трудно доступных местах и стесненных условиях рабочей зоны, который может быть принят за прототип. Инъектор в составе устройства для закрепления грунта, включает трубчатый корпус с перфорированной зоной, отверстия в которой выполнены с ориентацией относительно оси корпуса и установленный на корпусе тампонирующий элемент с эластичной оболочкой, укрепленной конусными обтекателями и деформируемой в скважине подачей в нее сжатого воздуха по введенному в полость тампонирующего устройства пневмошлангу. (5) Использование известного инъектора предполагает его последующее извлечение из скважины, что обеспечивается возможностью обратной деформации тампонирующего элемента.
Недостатком указанного инъектора является сложность операции тампонирования скважины, требующей постоянной подачи сжатого воздуха для поддержания давления в эластичной оболочке. Кроме того, использование сжатого воздуха в тампонаже скважин устанавливает повышенные требования к герметичности тампонирующих элементов, механически закрепляемых на поверхности корпуса инъектора и подвергающихся различным нагрузкам в грунтах с различными механическими свойствами.
Технической задачей, решаемой при осуществлении заявляемого способа укрепления структурно-неустойчивых грунтов с карстовыми образованиями и/или водонасыщенных грунтов, является повышение несущей способности грунтов при инженерной подготовке строительных площадок для нового строительства или для укрепления грунтов под основаниями существующих сооружений путем создания упрочненного геомассива, из которого выведены грунтовые воды, определяющие возникновение карстовых образований или суффозионных процессов.
Техническим результатом при использовании заявляемого способа является создание грунтоцементного армированного геомассива с измененной структурой грунтов, обезвоженной и обеспечивающей создание непроницаемой для грунтовых вод преграды между сформированными в барьерном ряду микросваями и в скважинах внутри него, полученными с использованием формирующих многоуровневые упрочненные пространственные элементы металлических неизвлекаемых инъекторов, обеспечивающих возможность укрепления различных по глубине слоев грунта, обладающих отличными друг от друга свойствами.
Задачей, решаемой при усовершенствовании инъектора, предназначенного для формирования микросвай в способе укрепления структурно-неустойчивых грунтов с карстовыми образованиями и/или водонасыщенных грунтов является упрощение конструкции неизвлекаемого инъектора и повышение надежности тампонирования скважин при заданном проектом упрочнении определенных горизонтов массива.
Техническим результатом использования заявляемого инъектора в указанном способе укрепления структурно-неустойчивых грунтов с карстовыми образованиями и/или водонасыщенных грунтов является возможность надежного тампонирования скважин в соответствии с проектом в процессе создания грунтоцементного армированного геомассива с измененной структурой грунтов.
Указанный технический результат при реализации заявляемого способа укрепления структурно-неустойчивых грунтов с карстовыми образованиями и/или обводненных грунтов, обеспечивается последовательностью операций, включающих бурение скважин с формированием барьерного ряда и скважин основного массива, в котором скважины располагают по сетке, размеры которой определяются проектом и зависят от состава и свойств грунтов, установку в скважинах различных по высоте инъекторов, имеющих перфорированную часть и не извлекаемых из грунта по окончании процесса укрепления геомассива, и нагнетание инъекционного цементного раствора в грунт, начиная со скважин в барьерном ряду, согласно изобретению в барьерном ряду скважины располагают не менее чем в два ряда в шахматном порядке на расстояниях, определяемых проектом в зависимости от свойств укрепляемых грунтов массива и могут составлять от 30 см до 3 м., и нагнетание инъекционного цементного раствора в грунт в скважинах барьерного ряда производят одновременно в одном или в разных горизонтах при расчетных давлениях, меньших давления гидроразрыва грунтов и при направленной подаче цементного раствора в стенки скважин внутрь барьерного ряда, а инъектирование цементного раствора в скважинах основного массива ведут в разной очередности и в разных геологических разрезах грунта укрепляемого массива с учетом их свойств, определяемых в соответствии с проектом, при этом на начальном этапе инъектирования скважин барьерного ряда и основного массива производят тампонирование скважин, разделяя их на горизонты в соответствии с очередностью инъектирования, установленной проектом, кроме того, инъектирование цементного раствора в скважинах барьерного ряда и основного массива ведут с постепенным увеличением давления подачи цементного раствора и с увеличением числа подающих отверстий в инъекторах, формируя ориентированные микросваи из подаваемого цементного раствора на основе неизвлекаемых инъекторов, при этом увеличение давления подачи цементного раствора в скважинах основного массива ограничивается давлением гидроразрыва грунтов в укрепляемых геологических разрезах.
Технический результат усовершенствования используемого в заявленном способе инъектора для создания микросвай обеспечивается выполнением его трубчатого корпуса с перфорированной зоной и с установленными на корпусе тампонирующими элементами с эластичной оболочкой, укрепленной конусными обтекателями, согласно изобретению тампонирующие элементы установлены на поверхности перфорированной зоны на задаваемых проектом высотах, разделяя перфорированную зону на отрезки, соответствующие последовательно укрепляемым геологическим разрезам в соответствии с проектом укрепления массива, при этом эластичные оболочки тампонирующих элементов охватывают часть отверстий перфорированной зоны и заполняются подаваемым в инъектор цементным раствором, кроме того, эластичные оболочки тампонирующих элементов предварительно заполнены ускорителями цементирования и/или армирующими элементами, а часть отверстий на отрезках перфорированной зоны закрыты удаляемыми при увеличении давления подачи цементного раствора перемычками и.
Заявляемый способ укрепления структурно-неустойчивых грунтов с карстовыми образованиями, и/или обводненных грунтов отличается от способа, принятого за прототип, режимами нагнетания инъекционного цементного раствора в грунт в скважинах барьерного ряда и в скважинах основного массива, в частности:
- в барьерном ряду скважины располагают не менее чем в два ряда в шахматном порядке;
- нагнетание инъекционного цементного раствора в грунт в скважинах барьерного ряда производят одновременно в одном или в разных горизонтах, разделенных тампонированием скважин, при расчетных давлениях, меньших давления гидроразрыва грунтов и при направленной подаче цементного раствора в стенки скважин внутрь барьерного ряда,
- а инъектирование цементного раствора в скважинах основного массива ведут в разной очередности и в разных геологических разрезах грунта укрепляемого массива с учетом их свойств, определяемых в соответствии с проектом, при этом увеличение давления подачи цементного раствора в скважинах основного массива ограничивается давлением гидроразрыва грунтов в укрепляемых геологических разрезах,
- инъектирование цементного раствора в скважинах барьерного ряда и основного массива ведут с постепенным увеличением давления подачи цементного раствора, формируя ориентированные микросваи из подаваемого цементного раствора на основе неизвлекаемых инъекторов,
- на начальном этапе инъектирования скважин барьерного ряда и основного массива производят тампонирование скважин, разделяя их на горизонты в соответствии с очередностью инъектирования, установленной проектом.
Указанные режимы инъектирования цементного раствора в скважинах барьерного ряда, в частности, подача цементного раствора внутрь барьерного ряда при давлениях, не превышающих давление гидроразрыва, и при постепенном повышении давления и объема подаваемого раствора, позволяют постепенным уплотнением грунтов различных геологических разрезов вывести из них грунтовые воды, создавая непроницаемую для грунтовых вод преграду. Режимы инъектирования скважин основного массива в разной очередности и в разных геологических разрезах грунта укрепляемого массива, с учетом их свойств, определенных в соответствии с проектом, и разделенных на горизонты тампонированием, выполненным на начальных стадиях инъектирования, обеспечивают постепенное сжатие грунтов внутри массива с вытеснением заключенных в них грунтовых вод. При этом, используя прием постепенного повышения давления подачи цементного раствора, ограничиваясь при этом определенными проектом величинами давления гидроразрыва грунтов в различных геологических разрезах, производят проектируемое заполнение скважин для формирования ориентированных микросвай и обеспечивают сжатие грунтов без образования трещин и каверн, повышая их сопротивляемость для проникновения грунтовых вод.
Неизвлекаемые инъекторы, используемые в заявленном способе укрепления структурно-неустойчивых грунтов с карстовыми образованиями и/или водонасыщенных грунтов для формирования ориентированных микросвай, обладают новизной и могут использоваться в заявляемом способе и в других технологиях формирования укрепленных геомассивов, предполагающих создание на их базе микросвай.
Заявленный в способе укрепления структурно-неустойчивых грунтов с карстовыми образованиями и/или водонасыщенных грунтов посредством микросвай инъектор отличается от прототипа выполнением ряда конструктивных элементов, в частности:
- установкой тампонирующих элементов на поверхности перфорированной зоны с охватом части отверстий перфорированной зоны,
- эластичные оболочки тампонирующих элементов заполняются подаваемым в инъектор цементным раствором,
- тампонирующие элементы разделяют перфорированную зону на отрезки, соответствующие последовательно укрепляемым геологическим разрезам на задаваемых проектом высотах в соответствии с проектом укрепления массива,
- часть отверстий на отрезках перфорированной зоны закрыты удаляемыми при увеличении давления подачи цементного раствора перемычками.
Такое выполнение инъектора позволяет упростить технологию укрепления грунтов благодаря возможности использования и для формирования микросвай, и для тампонирования скважин один и тот же рабочий раствор. При этом, тампонирующие элементы, заполненные цементным раствором, с возможным использованием в них ускорителей цементирования и армирующих элементов, повышают надежность тампонирования скважин, обеспечивают последовательность заполнения скважин по горизонтам в соответствии с проектом.
Осуществление заявленного способа укрепления структурно-неустойчивых грунтов с карстовыми образованиями, и/или обводненных грунтов может быть проиллюстрировано на примере проекта по подготовке геомассива для строительства подземного перехода под дорожным полотном в зоне строительства МФК «Лахта-Центр», г. С-Петербург, реализованного в текущем году.
Реализация проекта подготовки строительства подземного перехода поясняется эскизами.
На фиг. 1 представлена схема размещения скважин для обезвоживания грунтов с двух сторон от места укладки дорожного полотна.
На фиг. 2 представлена скважина с установленным в ней инъектором в процессе ее цементации.
На фиг. 3 представлен эскиз инъектора, используемого в заявляемом способе.
Работа по укреплению геомассива проводилась последовательно в два этапа: на первом этапе было произведено обезвоживание площадки в зоне строительства по вертикальному разрезу геомассива, на втором этапе производилось укрепление грунтов под дорожным полотном в зоне выполнения тоннеля для подземного перехода, для чего с двух сторон вдоль установленной в зоне строительства шпунтовой стенки выполнялись е два ряда в шахматном порядке скважины барьерного ряда (Этап 1 на фиг. 1) с расстоянием между скважинами 800 мм и скважины в зоне прокладки плит дорожного полотна. При выполнении работ производилось бурение скважин ∅72-110 мм вращательным способом, буровой установкой типа СКБ 41 колонкового бурения, либо УКБ 12-25/2 (на чертежах не показаны). После подготовки скважин барьерного ряда (разбуривются на проектную глубину), в них устанавливаются инъекторы с размещенными на них тампонирующими элементами, установленными на проектных высотах для разделения зоны инъектирования на горизонты. При подаче цементирующего раствора в скважины происходило тампонирование скважин и затем производилась их «ликвидация» в верхней части цементно-песчанным раствором для исключения выхода рабочих растворов на поверхность рабочей площадки. Грунт инъектировался нисходящим способом в соответствии с проектом формирования микросвай: при давлениях подачи цементирующего раствора при давлениях, ограниченных давлением разрыва грунтов (которое устанавливалось при выполнении опытных скважин). В качестве пропитывающего состава применялся цементный раствор со стабилизирующим компонентом - бентонитом. В этом случае начальный состав раствора в масс. процентах: Ц:В:К:Б=1,0:1,5:2,0:0,05, где, Ц (цемент); В (вода); К (песок или каменная крошка, соответствующая фракции песка); Б (бентонит). При тампонаже скважин возможно использование растворов с песчаным наполнителем в целях экономии (при больших расходах раствора - более 50 л/мин), в отношении: Ц:Г:П:В=1,0:1,5:5,5:2,0, где Ц (цемент); Г (глина); П (песок); В (вода).
В результате формирования микросвай в зоне барьерного ряда и уплотнения грунтов между ними был сформирован противофильтрационный экран в зоне строительства. После укрепления грунтов в зоне барьерного ряда производилось укрепление грунта в скважинах сетки средней части геомассива (Этап 2 на фиг 1 - под фундаментом дорожного полотна), расстояние между которыми составило от 800 до 1500 мм.
Далее схематично излагается технология строительства подземного перехода: извлечение грунта для формирования котлована, монтаж обвязки и распорного крепления шпунтового ограждения, формирование фундамента сооружения (например, установкой железо-бетонных свай), бетонирование ростверка, бетонирование стенок и перекрытия тоннеля, обратная засыпка котлована, демонтаж верхнего распорного крепления и обвязки шпунтового ограждения. После выполнения строительно-монтажных работ по обустройству тоннеля подземного перехода выполнялось укрепление грунтов над тоннелем в виде цементированного горизонта грунта, в процессе которого микросваи формировались в горизонтальных скважинах. При этом цементирование грунта производилось при давлениях подачи раствора, не превышающих нижний порог давления гидроразрыва грунта, что позволило исключить вспучивание грунтов над укрепляемым горизонтом.
Используемые в заявляемом способе укрепления грунтов неизвлекаемые инъекторы, служащие основой для образования микросвай, представленные на Фиг. 3, содержат трубчатый корпус 1 с перфорированной зоной 2 и установленными на корпусе тампонирующими элементами с эластичной оболочкой 3, укрепленной конусными обтекателями 4. Часть отверстий перфорированной зоны на разных горизонтах закрыты удаляемыми при увеличении давления подачи цементного раствора перемычками, которые могут быть выполнены из эластичных материалов. Прочность перемычек и количество закрытых отверстий в перфорированных зонах определяется опытным путем. Тампонирующие элементы установлены на поверхности перфорированной зоны 2 на задаваемых проектом высотах, разделяя перфорированную зону на отрезки, соответствующие последовательно укрепляемым геологическим разрезам в соответствии с проектом укрепления массива. При подаче цементирующего раствора в скважины происходило тампонирование скважин на высотах, соответствующих проекту укрепления грунтов.
Таким образом, использование заявляемого способа укрепления грунтов посредством формирования микросвай с неизвлекаемыми инъекторами представленной конструкции, обеспечивающих создание противофильтрационных экранов, позволяет повысить надежность подготавливаемых геомассивов для строительства новых объектов и при укреплении площадок под действующими строениями.
Источники информации, использованные в описании:
1.. Ухов С.Б., Семенов В.В., Знаменский В.В., Тер-Мартиросян З.Г., Чернышев С.Н. Механика грунтов, основания и фундаменты. - М.: Издательство АСВ, 1994, с. 446-447, рис. 16.6, 16.7.
2. Формула к патенту на изобретение №2537448 по кл. E02D 3/12, опубликовано 10.01.2015 г.
3. Описание к патенту RU на полезную модель №121274 по кл. МКИ E02D 3/12, заявка №2012124958/03 от 15.06.2012, опубликовано 20.10.2012.
4. Описание к патенту на изобретение №2439246 по классу МПК E02D 3/12, опубликовано 10.01.2012 г.
5. Чертеж и описание к патенту на полезную модель RU №120424, опубликовано 12.09.2012 г.