Струйная цементация грунтов «Jet Grouting»

Струйная цементация грунтов («jet grouting») — метод закрепления грунтов, основанный на одновременном разрушении и перемешивании грунта высоконапорной струей цементного раствора. В результате струйной цементации грунта в нем образуются цилиндрические колонны диаметром 600—2000 мм.

Во время прямого хода производят бурение лидерной скважины до проектной отметки. Буровой раствор поступает через открытый прямой клапан в буровой наконечник для удаления шлама в процессе бурения. В качестве бурового раствора используется вода, бентонитовый или цементный раствор. В процессе обратного хода в сопла монитора, расположенного на нижнем конце буровой колонны, подают под высоким давлением цементный раствор и начинают подъем колонны с одновременным ее вращением.

1. Бурение лидерной скважины диаметром 112—132 мм до проектной отметки (прямой ход)
2. Подъем буровой колонны с вращением и одновременной подачей струи цементного раствора под давлением до 500 атм. (обратный ход)
3. Погружение в тело незатвердевшей грунтобетонной колонны армирующего элемента (арматурного каркаса).
4. Готовая свая.

Так как разрушение и замешивание грунта требует высоких значений кинетической энергии струи раствора, для реализации схемы струйной цементации необходимо применение мощного высоконапорного цементировочного насоса. Практика показала, что давление нагнетания должно составлять от 400 до 700 атм., а мощность двигателя должна быть не ниже 350 л. с. Другой важной частью технологического оборудования для цементации грунта 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. При выполнении работ применяется современное буровое и насосное оборудование немецкого и итальянского производства:

• Буровые установки PSM-20
• Насос высокого давления SOILMEC 7T-500J
• Автоматические миксерные установки GM-22. Производительностью 22 м³ раствора в час.
• Силоса для цемента ёмкостью до 45 т.
• Автоцементовозы

• Высокая скорость работ за счет малого диаметра бурения скважин
• Выполнение работ в стесненных условиях (высота от 2 м, ширина от 1,5 м)
• Отсутствие динамических воздействий.

При ограждении котлованов (подпорных стен) конструкция из грунтобетонных свай выполняет несколько функций:

• воспринимает горизонтальные и вертикальные нагрузки,
• является вертикальной противофильтрационной завесой.

С помощью технологии струйной цементации грунтов возможно решение следующих задач:

• Подпорные стены и ограждение котлованов.
• Усиление всех типов фундаментов.
• Противофильтрационные завесы и экраны.
• Армирование грунтов и геомассив.
• Закрепление грунтов при проходке тоннелей и строительстве автодорог.
• Укрепление откосов и склонов.
• Закрепление грунтов в основании проектируемых фундаментов с целью повыше-ния прочностных и деформационных характеристик.
• Разъединительные стенки влияния деформаций.
• Устройство буровых свай.
• Контролируемое заполнение подземных выработок и карстовых пустот.
• Заглубление подвалов и надстройка зданий

Данная технология также позволяет выровнять прочностные и деформационные свойства грунта, внедрением в него армирующих элементов. При этом грунт и внедренные в него грунтобетонные сваи рассматриваются как единый геотехнический массив.

По сравнению с традиционными технологиями инъекционного закрепления грунтов струйная цементация позволяет укреплять практически весь диапазон грунтов – от гравийных отложений до мелкодисперсных глин и илов.

Другим важным преимуществом технологии струйной цементации (jet-grouting) является чрезвычайно высокая предсказуемость результатов укрепления грунтов. Это дает возможность уже на этапе проектирования и заключения подрядных договоров достаточно точно рассчитать геометрические и прочностные характеристики создаваемой подземной конструкции (свая, участок подпорной стенки и т.д.), а соответственно — трудозатраты, материалы и стоимость подрядных работ.

Из всего чрезвычайно обширного списка практических приложений технологии приведем лишь некоторые:

• устройство одиночных свайных фундаментов,
• устройство ленточных фундаментов и сплошных фундаментных плит из взаимно пересекающихся грунтоцементных свай,
• сооружение подпорных стен для повышения устойчивости склонов и откосов,
• закрепление слабых и обводненных грунтов вокруг строящихся поземных городских сооружений — колодцев, коллекторов, тоннелей,
• сооружение противофильтрационных завес.

Проведению работ по закреплению грунтов должна предшествовать разработка проектной документации, в которой должны быть заданы требуемые прочностные и фильтрационные свойства закрепленного массива грунта. Поэтому для модификации грунтов в зависимости от поставленной задачи должны применяться соответствующие технологии и растворы.

Усиление фундаментов зданий, устройство котлованов вблизи существующих зданий, устройство свай повышенной несущей способности, закрепление грунтов, создание противофильтрационных завес может быть решено с использованием струйной технологии. По струйной технологии могут выполняться как цилиндрические сваи, анкера, колонны закрепленного грунта диаметром до 2 м, так и плоские горизонтальные и вертикальные элементы в грунте при подъеме монитора без вращения (панельные, щелевые).

Данная технология также позволяет улучшить (выровнять) прочностные и деформационные свойства грунта, внедрением в него армирующих свайных элементов. При этом грунт и внедренные в него грунтобетонные сваи рассматриваются как единый геотехнический массив.

Закрепление грунтов основания, методом струйной технологии, для нового строительства, как правило, применяется в следующих случаях:

• при наличии в основании проектируемого сооружения слабых водонасыщенных и заторфованных грунтов, имеющих модуль деформации Е ≤ 5,0 МПа;
• при значительных нагрузках на фундаменты (передающих давление на грунт 0,3 МПа и более);
• в случае примыкания к существующему зданию и сооружению нового строения.

Промузел «Колядичи» г. Минск. Строительство шахт №1, №3, №7, №8, №9, №10 и участка коллектора «Центр» в р-не МКАД.

Строительство котлованов в устойчивых грунтах не представляет трудностей, однако задача многократно усложняется, когда грунтовый массив находится в обводненном состоянии. В таких случаях применяется традиционный способ, основанный на предварительном сооружении «стены в грунте» или опускной крепи до глубины залегания слоя естественного водоупора с последующей разработкой грунта под защитой водонепроницаемого ограждения.

Технология «Jet Grouting» в действии

Иная ситуация наступает, когда естественный водоупор отсутствует или когда он находится на значительной глубине, при которой его достижение ограждающими конструкциями становится экономически нецелесообразным. До недавнего времени в этом случае применяли методы водопонижения, которые часто бывали неэффективными при высоких фильтрационных характеристиках грунтов или становились опасными в связи с суффозионными процессами, негативно влияющими на фундаменты близко расположенных зданий и сооружений.
Сегодня такая задача может быть успешно решена с помощью технологии струйной цементации грунтов, позволяющей создать искусственный слой водоупора — горизонтальную противофильтрационную завесу (ГПФЗ).

Устройство завес выполняется с дневной поверхности строительной площадки, либо с промежуточной отметки пионерного котлована. Глубина пионерного котлована ограничивается уровнем грунтовых вод. Последнее решение не только резко сокращает общий объем бурения, но существенно его облегчает, так как в этом случае удаляется верхний слой грунта, содержащий остатки старых фундаментов, строительный мусор и т.п.
Применение данного метода позволяет улучшить деформативные характеристики грунтов, но что более существенно, сделать их более однородными в пределах пятна застройки здания. При этом существенно снижается вероятность развития неравномерных осадок, и как следствие появление дефектов и повреждений.