Результаты закрепления грунтов оснований реконструируемых зданий инъекцией тонкодисперсных цементных растворов в режиме пропитки.

В.А. Макеев, аспирант, вед. инж. лаб.28 НИИОСП им. Н.М. Герсеванова

Аннотация

В статье приведены краткие сведения по истории развития метода инъекции грунтов. Представлены исследования грунта, закрепленного инъецированием растворов тонкодисперсных цементов на нескольких площадках г. Москвы. Определены прочностные характеристики на площадках с высоким и низким уровнем подземных вод. Полученные экспериментально напряжения сравнены с расчетными значениями. Представлена эффективность применения закрепления грунта при строительстве глубоких котлованов вблизи существующих зданий исторической застройки и памятников архитектуры.

Ключевые слова: инъекция в режиме пропитки; разрывная инъекция; тонкодисперсные цементные растворы; прочностные характеристики; закрепление песков.

Abstract

The article provides a brief overview on the history of soil injection method. Investigations of soil, reinforced by permeation fine cements grouts at several sites in Moscow are presented. Strength characteristics at sites with high and low groundwater are defined. Experimentally obtained voltage compared with the calculated values. Efficiency of soil reinforcing in the construction of deep excavations near existing buildings of historic buildings and monuments are presented.

Key words: Penetration (permeation); compact grouting; fine and ultrafine cements grouts; strength characteristics; sands reinforcing.

Инъекция цементного раствора в грунты, как способ укрепления трещиноватых пород и ограничения водопритока стала применяться во Франции во второй половине XIX века. Наиболее эффективным способ оказался в гидротехническом строительстве для устройства противофильтрационных завес в основании плотин и для укрепления кладки бетона в их теле. В горном строительстве инъекция цементных растворов применялась для упрочнения и уплотнения скальных пород залегающих вокруг подземных выработок. Позднее, при совершенствовании технологических процессов, появлении специального инъекционного и бурового оборудования способ стал быстро развиваться в фундаментостроении.

Последние 20-30 лет в связи с увеличением строительства высотных зданий с многоуровневыми подземными парковками и возникновением необходимости улучшения прочностных свойств грунтов, подавления притоков воды в котлованы, а также защиты зданий, попадающих в зону влияния нового строительства, большое распространение получили различные способы инъекции цементных растворов в основания строящихся и реконструируемых зданий.

В зависимости от типа закрепляемого грунта и используемого вида цемента, инъекция выполняется в напорном режиме (под повышенным давлением с образованием гидроразрывов) и в режиме пропитки (под низким давлением с заполнением всех пор, без нарушения сплошности массива). В напорном режиме, как правило, закрепляют пески, супеси, суглинки и лессы обычными цементами. В режиме пропитки обычными цементами возможно закрепление гравелистых песков, трещиноватых и карстовых пород, а тонкодисперсными – пески от мелких до крупных с коэффициентами фильтрации от 1 до 30м/сут.

Применение тонкодисперсных цементов позволило увеличить эффективность инъекционных технологий, так как, являясь производными обычных цементов, они имеют плавно изменяющиеся гранулометрический, а также определенный и стабильный химико-минералогический составы. Обеспечение высокой прочности закрепления и создание массивов заданных размеров стало возможным благодаря высокой проникающей способности суспензии в поры закрепляемого грунта.

Инъекционная технология на основе тонкодисперсных цементов с 1995 года стала развиваться в Германии, а в России появилось относительно недавно и было опробовано ООО «ВЕСТА ИНЖ», ООО «Гидроспецстрой», ОАО ЦНИИС НИЦ «Тоннели и метрополитены, ООО «Инжстрой реставрация», ООО НПФ Фундаментстройпроект».

Несмотря на то, что рассматриваемый способ укрепления грунтов базируется на разработанном советскими учеными и хорошо известном способе силикатизации, доля его применения в нашей стране весьма невелика, и в большей степени это связано с высокой стоимостью тонкодисперсных цементных растворов, а также отсутствием инженерных методов расчета и проектирования грунтовых массивов, закрепленных по данной технологии.

В данной статье поставлены вопросы, связанные с инъекцией тонкодисперсных цементных растворов в основания реконструируемых зданий в г. Москве, такие как:

  • исследование прочности  закрепленного грунта (параметры С, φ, Rсж) по отобранным образцам на ряде объектов;
  • сравнение характеристик закрепленного грунта, полученных в сухих и обводненных песках;
  • сравнение замеренных и расчетных горизонтальных напряжений грунтового массива при его закреплении на основании результатов натурного эксперимента;
  • оценка влияния выполненного закрепления на изменение во времени горизонтальных напряжений в массиве.

Проектно — строительной организацией ООО «НПФ «Фундаментстройпроект» в период с 2008 года было произведено усиление оснований и фундаментов, в частности, выполнено усиление оснований с применением рассматриваемого способа инъекции нескольких объектах в г. Москве, на одном из которых был поставлен натурный эксперимент.

В связи с планируемым строительством двухэтажного подземного паркинга вплотную к существующему 2-х этажному реконструируемому зданию с подвалом постройки XIX столетия [3], являющемуся памятником архитектуры, возникла необходимость укрепить грунты основания и конструкции фундаментов (рис. 1).

Стены и колонны реконструируемого здания выполнены из красного глиняного кирпича, частично из тесаного камня на известковом растворе. Фундаменты здания – ленточные и столбчатые, из бутового камня на известковом растворе. Грунты основания фундаментов сложены песками рыхлыми и средней плотности, пылеватыми и мелкими.

а) план проектируемой подземной парковки и усиливаемого здания

б) разрез примыкания проектируемой подземной парковки к усиливаемому зданию

picture1-1 picture1-2

Рисунок.1 Усиление здания на объекте реконструкции Московской Государственной Консерватории

Пол 2-го подземного этажа подземной парковки будет расположен на отметке 136.00, а пол подвала усиливаемого здания находился на отметке 139,60. Прилегающие к строительству фундаменты реконструируемого здания заглублены на отметке 138.29, а котлован проектируется на отметке 135.20. Конструкция ограждения котлована включает шпунт из труб диаметром 325 мм и 2-х ярусную распорную систему. Для исключения влияния котлована на реконструируемое здание было предусмотрено укрепление грунта основания тонкодисперсным цементом на глубину ниже дна котлована.

Проектом предусмотрены сплошное ленты из закрепленного грунта со следующими характеристиками: расчетный диаметр — 1м, прочность — 1,0 МПа, удельное сцепление — 0,1 МПа, угол внутреннего трения — 40 , модуль деформации — 42МПа, В/Ц=3,5. Тогда расчетные дополнительные деформации фундамента здания не превысят допустимых значений для рассматриваемого здания.

Инъекционные скважины располагались в 2 ряда вдоль фундаментов с шагом 1м. Закрепление грунтов производилось снизу-вверх зонами-захватками по 0,2 м с расчетным объемом раствора на 1м3 закрепленного грунта — 515л.

Работам по закреплению грунтов предшествовала цементация фундаментов и контакта «фундамент-грунт». Работы начинались на опытно-производственном участке, по результатам которых вносились коррективы в проект. Качество выполненных работ оценивалось по образцам, отобранным в закрепленных массивах при проходке шурфов на полную глубину закрепления или контрольных скважин.

Определение физико-механических характеристик образцов укрепленного грунта выполнено НИИОСП им. Н.М. Герсеванова и лабораторией ОАО «Институт Гидропроект» (рис.2).

picture1-3

Рисунок 2 — Образцы закрепленного грунта

Таблица 1. Результаты лабораторных определений физико-механических свойств образцов укрепленного грунта.

Наименование e Rсж возд., МПа Rсж вод., МПа c, МПа φ°
Образцы закрепленного песчаного грунта 0,450 11,97 7,90 1,2 56

Полученные прочностные характеристики значительно превосходили значения заданные при расчете влияния котлована на здание. Но диаметр закрепления грунта в шурфах находился в пределах 30см – 60см. Структура тела закрепленного грунта выглядела крайне неоднородной в виде линз. Отношение площади закрепленного грунта, вскрытого шурфами к проектной по вертикальной плоскости составило менее 45%. Поэтому было принято решение выполнить экспериментальные работы.

На объекте был поставлен натурный эксперимент, целью которого являлось определение возможности откопки котлована вблизи реконструируемого здания, под фундаментами которого выполнено укрепление грунта раствором тонкодисперсного цемента. Для этого из подвала реконструируемого здания был откопан шурф 2´2м в плане (рис.3), глубиной 3,6м.

Рисунок 3 — План опытного шурфа

При подготовке эксперимента, до откопки шурфа было установлено 2 динамометрических зонда на основе датчиков давления, расположенных с шагом 1м по высоте зонда.

Динамометрический зонд состоял из сборных секций, длиной по 2 метра. Секция была выполнена из профильной трубы, в каждой из которых предусматривалось по 2 датчика давления (рис 4).

picture1-5

Рисунок 4 — Устройство динамометрического зонда с датчиками давления

Зонды погружались задавливанием, с устройством лидерной скважины диаметром 140 мм. Для обеспечения передачи давления грунта на мессдозы скважина после задавливания зонда заполнялась песком и проливалась водой.

Первый зонд был погружен в непосредственной близости от фундамента реконструируемого здания, под которым было выполнено укрепление грунта, а второй – со стороны, где усиления не было.

На рис.5 представлены эпюры распределения горизонтальных напряжений по глубине с одной стороны от влияния веса здания и с противоположной стороны шурфа от бытового давления грунта.

picture1-6

Рисунок 5 — Эпюры распределения горизонтальных напряжений в грунте

С не закрепленной стороны опытного шурфа значения давлений, определенные в эксперименте, сравнивались с соответствующими величинами, рассчитанными по программе WALL-3 (эпюры справа). Несмотря на то, что программа WALL-3 рассчитывает давления для условий плоской задачи, а длина стороны шурфа – 2 метра, аналогичность зависимостей расчетных и экспериментально определенных значений по глубине котлована говорит о достоверности методики измерений.

По специально разработанному проекту производилось устройство шпунтового ограждения по периметру опытного шурфа, разработка грунта с одновременным выполнением деревянной забирки и четырех распределительно-обвязочных поясов (рис.6).

image008Рисунок 6 — Вид опытного шурфа

По мере откопки опытного шурфа регистрировались показания динамометрических зондов.

В результате поставленного эксперимента были получены значения горизонтальных напряжений на контакте массива и крепи шурфа со стороны фундамента и с противоположной стороны по мере откопки модельного котлована.

image009Рисунок 7 — График изменения горизонтальных напряжений от времени в мессдозе №1 на глубине 5м со стороны фундамента

image010Рисунок 8 — График изменения горизонтальных напряжений от времени в мессдозе №7 на глубине 5м со свободной стороны

На 1-ом графике (рис.7) показаны изменения горизонтальных напряжений закрепленного грунта со стороны фундамента, на 2-ом — с противоположной, не закрепленной инъекцией стороны шурфа (рис.8) после откопки опытного котлована. Значения напряжений возрастали по мере обжатия датчиков и уплотнения песка в лидерных скважинах. Интересно, что датчик с незакрепленной стороны имел максимальные значения на 3-4 сутки, а затем величина горизонтальных напряжений уменьшилась на 25%. Произошло включение в работу измеряющего зонда (релаксация) и напряжения снизились. Стабилизация значений наступила на 6-7 сутки, что характерно для песчаных грунтов.

Измеренные значения горизонтальных напряжений в грунте со стороны фундамента оказываются в 1,5-2 раза меньше, чем измеренные напряжения на соответствующих глубинах с противоположной стороны (рис.8), где нет фундамента и не было закрепления. Практически вся нагрузка от здания передавалась закрепленным массивом на нижележащие слои грунта.

Таким образом, закрепление песчаного грунта раствором тонкодисперсного цемента позволит значительно снизить давление грунта на шпунт проектируемого в тех же грунтовых условиях котлована и, тем самым, уменьшить расход материала на устройство распорной системы и шпунтового ограждения при возведении вблизи реконструируемого здания.

Не менее интересным оказался объект, расположенный по адресу: ул. Вильгельма Пика д.3, стр.9 и 20 (рис. 12)

picture1-10

Рисунок 9Усиливаемые здания комплекса ВГиК в связи со строительством вплотную нового корпуса

 

Усиление оснований фундаментов существующих зданий инъекцией с применением инъекции раствора тонкодисперсного цемента было выполнено в связи со строительством нового учебного корпуса в непосредственной близости от усиливаемых, кроме того часть фундаментов существующих зданий были признаны аварийными и нуждались в усилении. Работам по закреплению грунтов предшествовала цементация фундаментов и контакта «фундамент-грунт».

Дом 3, стр. 9 – четырехэтажный учебный корпус с цокольным этажом 1939 года постройки. Техническое состояние здания — предаварийное. Фундаменты под наружными стенами – ленточные из бутового камня – известняка на цементно-песчаном растворе с шириной подошвы 1,58 – 2,02м и глубиной заложения 2,44 – 2,77м от отм. планировки. В основании фундаментов залегают пески мелкие средней плотности и рыхлые, влажные и насыщенные водой. Состояние основания и фундаментов здания – неудовлетворительное.

Дом 3, стр.20 – трехэтажная учебная лаборатория с подвалом 2001 года постройки. Конструктивная схема – сборный ж/б каркас заводского изготовления с поперечным расположением ригелей. Техническое состояние здания – работоспособное. Фундаменты под колонны — сборные железобетонные, глубиной заложения 1,95-2,04м от пола подвала в удовлетворительном состоянии. Несущая способность фундаментов обеспечена, колонн —  практически, без запаса. Основанием фундаментов служат пески и суглинки туго — и мягкопластичные.

Скважины инъекции запроектированы с шагом 0,8 – 1м, на глубину 1 – 4,62м, расчетный диаметр инъекции принят 0,6м. Прочность принята 2МПа, С=0,1МПа, φ=40, E=80МПа, В/Ц=3. Расчетный объем раствора на 1м3 закрепленного грунта — 515лВ таблице представлены физико-механические характеристики отобранных монолитов.

Таблица 2 — Результаты лабораторных определений физико-механических свойств образцов укрепленного грунта.

Наименование e Rсж возд., МПа Rсж вод., МПа c, МПа φ°
Образцы закрепленного песчаного грунта 0,272 3,57 2,14 0,37 52

Как видно по табл. 2, прочностные характеристики закрепленного грунта значительно ниже характеристик из табл. 1. Это объясняется тем, что грунтовые воды находятся в уровне подошвы фундаментов, основанием служат пески с линзами супесей. В силу слабой проницаемости таких грунтов и наличия высокого уровня грунтовых вод, цементная суспензия распределилась в более проницаемые слои грунта.

Основание здания по адресу: Б. Полянка, д.60/2, стр.1, тоже усилено инъекцией тонкодисперсного цементного раствора, где на расстоянии 2,5 – 15 м от наружных стен запроектирована 3-х уровневая подземная автостоянка, для которой планируется котлован глубиной 11,65 м от поверхности земли со «стеной в грунте» (рис.10). Фундаментная плита автостоянки планируется на 4м ниже уровня грунтовых вод в связи с чем «стена в грунте» запроектирована в водоупор – тугопластичные глины. Однако толщины водоупора (1,2м — 1,8м) недостаточно для подавления влияния водопонижения на окружающую застройку. Поэтому принято решение о закреплении грунта основания фасадной стены и прилегающей проектируемой фундаментной плиты с первого уровня парковки инъекцией раствора тонкодисперсного цемента на глубину до 8м. Грунты в зоне инъекции сложены в основном песками от плотных до рыхлых, от мелких до средней крупности, местами с прослоями глины, влажными и насыщенными водой.

image012Рисунок 10Разрез примыкания проектируемой 3-х уровневой подземной автостоянки к фасадной стене реконструируемого здания по Большой Полянке д.60/2

I – зона закрепления грунтов основания материалом типа «Микродур» диаметром Ø0,5м. 1 – насыпной грунт; 2 – пески мелкие, ср. плот., влажные; 2б – пески мелкие, плотные, влажные, насыщ. водой; 3 –пески ср. круп., ср. плот., насыщ. водой; 3б – пески ср. круп., плот., насыщ. водой; 4 – глины тугопластичные; 5 – глины полутвердые.

 

В соответствии с результатами обследования здание требовало реконструкции с заменой аварийных конструктивных элементов. Предусматривалось сохранение основного фасада со стороны улицы Большая Полянка. Существующие фундаменты откопаны до их подошвы на глубину 4,5 м ниже поверхности земли.

Скважины под фасадной стеной располагались с шагом 0,5м, внутри здания 1,38 – 2,4м. Проектом были предусмотрены следующие прочностные характеристики закрепленного грунта основания: прочность Rз=0,4 МПа, удельное сцепление Сз=0,1 МПа, угол внутреннего трения φ=40 град, модуль деформации Ез=42 МПа, В/Ц=3.

Отбор грунтовых закрепленных монолитов производился из шурфов в подвале. Полученные результаты физико-механических свойств сведены в табл. 3.

 

Таблица 3 — Результаты лабораторных определений физико-механических свойств образцов укрепленного грунта.

Наименование e Rсж возд., МПа Rсж вод., МПа c, МПа φ°
Образцы закрепленного песчаного грунта 0,431 2,03 1,02 0,16 54

Выводы

  1. Благодаря поставленному на одном из объектов г. Москвы эксперименту, целью которого являлось определение возможности откопки котлована вблизи реконструируемого здания, под фундаментами которого выполнено укрепление грунта раствором тонкодисперсного цемента, определены горизонтальные напряжения в закрепленном основании и при сравнении с расчетными, показавшие хорошую сходимость. В результате, выполненное укрепление грунта под фундаментами значительно снижает давление на шпунтовую стенку, а следовательно уменьшает расход материала на устройство распорной системы и шпунтового ограждения при возведении вблизи реконструируемого здания подземного гаража.
  2. Исследование закрепленного грунта инъекцией тонкодисперсного цемента позволило оценить прочностные характеристики на площадках с сухими и обводненными песками. Из проведенных испытаний установлено, что прочность закрепленного грунта в обводненном состоянии (ниже уровня грунтовых вод) в 2-5 раз ниже прочности такого же грунта, закрепляемого в воздушно-сухом состоянии. Диаметры закрепленных массивов при обследовании в шурфах оказались меньше проектных и составили от 30 до 60 см.
  3. На основании выполненных работ по укреплению грунтов под фундаментами инъекцией раствора тонкодисперсного цемента, при проектировании инъекционного закрепления необходимо учитывать тот факт, что прочность закрепленного песка по радиусу распространения раствора от скважины к периферии может значительно различаться между собой, о чем свидетельствуют отобранные из шурфов образцы (у скважины – 4-12 МПа, на периферии – 0,5-1 МПа). Это связано с тем, что к периферии цементная суспензия приходит сильно обедненной по сравнению с исходной концентрацией и образования кристаллической структуры, способной цементировать песок может не происходить.

 

Литература

  1. Аргал Э.С., Королев В.М., Смирнов О.Е., Ашихмен В.А. Некоторые особенности технологии закрепления грунтов «манжетной» инъекцией с использованием микроцемента // ОФМГ. – 2008. —№ 1. С 25-28.
  2. Протодьяконов М. М.,. Паспорта прочности горных пород и методы их определения. Л, 1963.
  3. Шишкин В.Я., Погорелов А.Е., Макеев В.А. Реконструкция зданий исторической застройки на примере вспомогательного здания Московской государственной консерватории // М, Жилищное строительство. — 2011. -№9. С 16-23.
  4. Ибрагимов М.Н., Семкин В.В., Закрепление грунтов инъекцией цементных растворов. ACB, Москва, 2012 г, 256 с.
  5. Камбефор А. Инъекция грунтов. Энергия, Москва, 1971 г.
  6. Шишкин В.Я., Макеев В.А. Эффективность применения микроцемента при возведении подземных гаражей вплотную к зданиям исторической застройки. Труды международной конференции по геотехнике. Том 4. Москва, 2010 г. С 1583-1590
  7. С.Д. Воронкевич. Основы технической мелиорации грунтов. Москва, Научный мир. 2005 г. 504 с.