Струйная цементация грунтов описание технологии

Обновлено: 04.10.2024

Технология струйной цементации или струйная геотехнология, позволяет получать практически любой формы и размеров грунтоцементный массив, который обладает достаточно высокими прочностными, деформационными характеристиками, более чем на порядок превышающими характеристики грунта.

Это способ, позволяющий разрушать струей высокого давления грунт в скважине и смешивать его с цементным раствором путем нагнетания раствора в грунт. В результате происходит разрушения и одновременное перемешивание грунта с цементным раствором.

Порядок производства работ

Технологический процесс закрепления грунта по технологии струйной цементации делят на два основных этапа:

Бурение скважин буровым инструментом, в нижней части которого расположен монитор с соплами.
Подъем буровых штанг с одновременной подачей раствора через сопла монитора под давлением 40…50 МПа и перемешиванием грунта.

При обратном ходе происходит перемешивание грунта с раствором и частичным (или полным) выносом размытого грунта из пробуренной скважины. В результате, вокруг скважины, образуется новый материал – грунтобетон, обладающий высокими прочностными, деформационными и противофильтрационными характеристиками.

Основным фактором, влияющим на прочностные характеристики грунтоцемента, является расход цемента на 1 м 3 закрепленного грунта. Закрепление грунтов методом струйной цементации, в зависимости от грунтовых условий, назначения и требуемой прочности, и фильтрационных свойств создаваемой грунтоцементной конструкции, может производиться по следующим технологиям:

Однокомпонентная технология (Jet1). Разрушение грунта производится струей цементного раствора. Технология наиболее простая в исполнении, достигается наибольшая плотность и прочность грунтобетона. Расход цемента составляет 350…400 кг на метр закрепления. Диаметр грунтобетонных элементов в глинистых грунтах составляет 550…650 мм, в песчаных грунтах – 650…700 мм.
Двухкомпонентная технология (Jet2). Для увеличения объема закрепляемого грунта используется дополнительно энергия сжатого воздуха, создающего искусственный воздушный поток вокруг струи раствора. Расход цемента составляет 650…800 кг на метр закрепления. Плотность и прочность грунтобетона ниже на 10 - 15%, чем по технологии (Jet1), диаметр грунтоцементных элементов больше и достигает в глинистых грунтах 1000…1200 мм, в песках 1300 мм;

Преимущества технологии струйной цементации

Область применения

Метод струйной цементации используется при создании искусственно улучшенных оснований фундаментов, армированных грунтобетонными элементами; временных и постоянных несущих и ограждающих конструкций из грунтобетонных элементов, выполненных в виде цилиндрических массивов типа свай, противофильтрационных завес в виде конструкций из взаимно пересекающихся грунтобетонных элементов (jet-свай), устройстве грунтовых анкеров.

Технология применяется как в гражданском, так и промышленным строительстве, в устройстве береговой линии, строительстве дорог и т.д.

Технология струйной цементации грунта была реализована тремя государствами одновременно: Японией, Великобританией и Италией. Идея оказалась настолько эффективной, что в течение последних 10 лет, струйную цементацию стали применять строители всех стран Мира.

Струйная цементация грунта: суть технологии

Грунтобетон характеризуется высокой прочностью на сжатие – от 50 до 100 кгс/см2 для песчаного грунта и от 20 до 40 кгс/см2 для глинистой почвы. В ряде случаев можно получить более высокую прочность на сжатие. В этом случае в раствор добавляется больше связующего, а подача раствора осуществляет до тех пор, пока он не заместит весь участок укрепляемого грунта.

Преимущества струйной цементации перед другими технологиями иньектирования грунтов:

Техническая возможность укрепления грунтов всех типов: илистых, песчаных, мелкодисперсных глинистых, глинистых, грунтов с гравийными отложениями и пр.;
Стопроцентная предсказуемость планируемых прочностных характеристик – возможность точного расчета геометрических и прочностных характеристик планируемого сооружения еще на этапе разработки проектной документации;
Высокая скорость процесса;
Возможность работ в условиях ограниченного пространства – подвалах, в густо застроенных районах, на склонах и т.п.;
Усиливая фундамент, при диаметре начальной скважины 112 миллиметров, есть возможность получать бетонные сваи значительного диаметра – до 500-1500 миллиметров;
В отличие от свайного укрепления грунта, при струйной цементации отсутствует вредное влияние на фундаменты близстоящих зданий.

Когда необходима струйная цементация грунта?

Гарантированное укрепление слабого грунта при возведении тоннелей, коллекторов и других подземных сооружений;
Ограждение котлована на грунтах с высоким стоянием верховодки;
Строительство противофильтрационных заграждений;
Усиление фундамента при ремонте и увеличении высоты задания;
Придание устойчивости откосам и склонам;
Иньектирование карстовых пустот и трещин в скальном грунте.

Существуют следующие виды технологии струйного цементирования:

Однокомпонентная. Разрушение укрепляемого грунта под заполнение раствором происходит за счет энергии струи. При этом цементный раствор подается в грунт под давлением от 450 до 500 кгс/см2. Однокомпонентная технология характеризуется относительной простотой и необходимостью в минимальном наборе специального оборудования. Основной недостаток – возможность получать наименьшие диаметры свай по сравнению с технологиями других видов. К примеру, в илистом грунте по однокомпонентной технологии можно обустроить сваю диаметром до 600 миллиметров, а в песчаном грунте конструкцию диаметром не более 750-800 миллиметров;
Двухкомпонентная. Суть этого струйной цементации этого вида заключается в дополнительной подаче сжатого воздуха. Сжатый воздух подается для усиления энергии струи раствора и соответственного увеличения ее длины. При этом раствор и сжатый воздух попадают в лидерную скважину через двуполостной шланг – по центральной полости идет раствор, по внешней полости – воздух высокого давления. Диаметр свай в глинистом грунте получаемый по данной технологии – до 1200 миллиметров, в песчаном грунте – до 1500 миллиметров;
Трехкомпонентная. Принципиальное отличие этого вида цементации от двух предыдущих в ином формате образования полости пол заполнение раствором – сначала высоконапорной водовоздушной струей производится разрушение грунта, после чего в образовавшуюся полость подают цементный раствор. Основные преимущества – возможность получить колонну, состоящую из чистого раствора без примесей грунта и диаметр сваи до 2500 миллиметров. Основной недостаток – сложность технологии и необходимость в дополнительном дорогостоящем оборудовании.

Наборы оборудования для струйной цементации грунта

Струйная цементация – это способ улучшения грунтов, основа которого состоит на одновременном размыве цемента и грунта, который вводится под самым высоким давлением (до 45 МПа) со скоростью 250–350 м/с. Благодаря этому уничтожается сама структура массива и создается объединенная масса грунта и основного компонента с заранее заданными свойствами. Закрепление грунта получается в процессе погружения в заранее пробуренную скважину струйного монитора с кабелями, через которые проходит вода и цементный раствор. Диаметр насадки составляет 2-2,5 мм. Окружающий скважину грунт разрушается струей воды и интенсивно перемешивается с цементным раствором. Постепенно извлекая монитор из скважины, создают области закрепления грунта.

Решение задач

С помощью струйной цементации грунтов в тоннелестроении возможно решение следующих задач.

Технология работ при струйной цементации: а — бурение скважины; б — погружение в скважину струйного монитора; в — постепенное извлечение монитора из скважины; 1 — поверхность земли;

Технология струйной цементации может позволить усилить прочностные и деформационные особенности грунтов внедрением в них стальных компонентов. При этом компонент и внедренные в него грунтобетонные сваи рассматриваются как один геотехнический массив.

Также как в тоннелестроении, особенность струйной цементации нашла большое применение в области промышленного и жилищного строительства, ремонта автомобильных дорог и в горном деле.

Виды струйной цементации

В зависимости от конкретных инженерно–геологических условий применяется однокомпонентная, двухкомпонентная или трехкомпонентная технология струйной цементации. Кроме этого есть, возможность частичной или полной промывки обрабатываемых элементов, их вынос и замещение цементным раствором.

Однокомпонентная струйная цементация представляет из себя размыв из перемешивания и закрепления грунта струей цементного раствора. При этом размер грунтоцементной колонны может составлять 0,6-0,8 м. Главные параметры однокомпонентной струйной цементации:

давление подачи раствора – 36^16 МПа;
расход раствора 60–160 л/мин.;
скорость подъема монитора 30–55 см/мин.;
частота вращения монитора 15–35 об/мин.

Двухкомпонентная струйная цементация представляет из себя разрыв, перемешивание и закрепление элементов с помощью двух компонентов. Существует две системы – воздушная и водная. В воздушном способе струя цементной смеси внедряется внутрь струи очень сжатого воздуха и за счет этого энергия размыва существенно повышается. В водной системе проводится заранее размыв грунта при помощи отдельной струи воды. Чуть ниже кабеля для подачи воды находится кабель для подачи цементной смеси. При двухкомпонентной струйной цементации диаметр грунтоцементной колонны находится в пределах 0,8–1,8 м.

Основные параметры двухкомпонентной струйной цементации (воздушная система):

давление подачи раствора 36^6 МПа;
давление подачи воздуха 0,6–1,6 МПа;
скорость подъема монитора 16– 26 см/мин.;
частота вращения монитора 10–20 об/мин.

Основные параметры двухкомпонентной струйной цементации (водная система):

давление подачи раствора 7–9 МПа;
давление подачи воды 45– 65 МПа;
скорость подъема монитора 5–8 см/мин.;
частота вращения монитора 5–15 об/мин.

Основные параметры трехкомпонентной струйной цементации:

давление подачи раствора 6–9 МПа;
давление подачи воды 45–65 МПа;
давление подачи воздуха 0,8–1,8 МПа;
скорость подъема монитора 5–8 см/мин.;
частота вращения монитора 5—15 об/мин.

Перечень основных механизмов, используемых при струйной цементации.

Струйный скважинный кабель для размыва элемента, подачи твердеющей смеси в размытую полость и перемешивания разрыхленного грунта с твердеющим раствором.

Буровой станок для бурения рабочих мероприятий, вращения и подъема струйного модуля при закреплении элемента. При значительной высоте сооружаемых материалов стрела бурового станка наращивается до соответствующей предельной высоты.

Копровая навесная гидравлическая установка для подъема и вращения струйного монитора, а также для фиксации, при необходимости направления струйного размыва.

Самоходный кран для подъема монитора при сооружении плоских конструкций большой высоты.

Поршневые насосы для подачи размывающей жидкости и твердеющего цементного раствора.

Строительную площадку есть возможность оборудовать механизированным перемещением цемента с конвейером, для хранения и использования порошкообразного вяжущего элемента, смесителями, компрессорами для использования сжатого воздуха, рукавами для работы к струйному кабелю необходимых компонентов, резервуарами для хранения размывающей жидкости, а также жидких компонентов твердеющего раствора.

На строительном районе необходимо также использовать устройства и материалы для регулирования параметров технологического процесса, а также для оперативной связи между работниками при осуществлении синхронных, быстротекущих технологических процессов.

Комплект технологического оборудования для закрепления грунтов по однокомпонентной струйной технологии корпус, в котором монтируются боковые насадки; подводящие трубы для рабочих компонентов; гибкие рукава для подвода рабочих компонентов (выполняются в виде сборных секций определенной длины и формы); вертлюг (одно–, двух– или трехкомпонентный) – для случая, когда необходимо обеспечить вращение вокруг вертикальной оси.

Струйный кабель является особым оборудованием, он проектируется и изготавливается с учетом особенностей каждого конкретного строительного объекта и их элементов.

Однако есть и общие конструктивные черты струйных кабелей. Так, во многих конструкциях и элементах кабелей к нижней части их конструкций крепится буровой элемент, который выполняется в виде буровой коронки или трехшарошечного долота. Благодаря этому появляется возможность начать струйный размыв сразу же после завершения бурения рабочей скважины, устраняя лишние операции по извлечению бурового снаряда и монтажу кабелю.

Применение струйной цементации в тоннелестроении

Производство струйной цементации нашла большое использование в мировой строительной практике и, в частности, в области тоннелестроения. Такое использование успешно применялось при постройке тоннелей в Италии. Так, при проходке тоннелей в г. Лиссабоне, с использованием струйной цементации по однокомпонентной и двухкомпонентной схемам, выполнено закрепление грунтов под историческим монументом.

Для исключения недопустимых разрушений монумента с дневной поверхности было использовано 865 грунтоцементных колонн диаметром 2,00 м по двухкомпонентной (воздушной) системе и 112 грунтоцементные колонны диаметром 0,80 м по однокомпонентной системе. После окончания горнопроходческих построений и струйной цементации максимальные значения осадки монумента не превысили 8 мм.

Применение при устройстве ограждений котлованов

Технология струйной цементации нашла большое использование при устройстве ограждений котлованов.

Поэтому из положительного строительного опыта применения технологии струйной цементации элементов, есть возможность выделить некоторые достоинства, расширяющие область использования такой технологии при работе над тоннелями в условиях плотной городской застройки:

высокая скорость работ за счет малого диаметра бурения скважин;
выполнение работ в стесненных условиях (высота – от 3 м, ширина – от 1,3 м);
возможность проведения работ, как с поверхности земли, так и из забоя тоннеля или из вспомогательных выработок;
отсутствие динамических воздействий.

Струйная цементация успешно используется как в несвязных крупнообломочных, так и в мелкодисперсных глинистых грунтах независимо от степени их проницаемости и имеет существенные преимущества по сравнению с традиционными способами стабилизации неустойчивых грунтов.

Монография посвящена технологии струйной цементации грунтов (jet grouting).
Описана сущность технологии, дан обзор современных достижений,
составленный на основе зарубежных и отечественных источников информации.
В значительной части монографии представлены результаты теоретических
исследований, полученных автором в этой области, а также практический опыт автора
применению технологии на ряде строительных объектов в течение последних лет.
В первой части содержится описание технологии и результатов теоретических
исследований автора в этой области. Во второй части приводится описание
практических объектов, выполненных с участием автора.
Книга может быть полезной руководителям и специалистам проектных и
строительных организаций, а также студентам строительных университетов для
дальнейшего и более широкого использования данной технологии в нашей стране.

Оглавление
Предисловие к третьему изданию . 9
Введение . 10
1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ . 12
1.1. Развитие технологии. . 12
1.2. Сущность технологии. . 14
1.3. Параметры технологии . 18
1.4. Прочность грунтобетона. . 24
1.5. Технологическое оборудование. . 29
2. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ . 52
2.1. Расчет количества цемента. . 52
2.2.Ограждение котлованов . 57
2.3. Устройство горизонтальных противофильтрационных завес. 72
2.4. Устройство свайных фундаментов . 79
2.5. Повышение несущей способности грунтоцементных свай с помощью гидроразрыва . 82
2.6. Укрепление фундаментов зданий . 87
2.7. Расчет и проектирование свайно-плитного фундамента . 89
2.8. Экспериментальные исследования влияния параметров струйной цементации грунтов
на диаметр грунтоцементной колонны . 96
2.9. Устройство грунтоцементных свай в зимний период . 103
2.10. Исследование прочности контакта армирующего элемента с цементным камнем . 105
3. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ . 107
3.1. Укрепление фундаментов зданий . 107
3.2 Струйная цементация грунтов при строительстве наклонного ствола в Заполярье . 111
3.3. Устройство ограждения котлована . 120
3.4. Устройство противофильтрационной завесы . 129
3.5. Закрепление грунтов при проходке тоннеля . 135
3.6. Цементация неустойчивых грунтов в зоне пересечения подходной выработки с
перегонным тоннелем метрополитена в Екатеринбурге . 140
3.7. Укрепление слабых грунтов в основании насыпи . 144
3.8. Устройство свайных фундаментов по струйной технологии под башенный кран при
строительстве мостового перехода через р. Кама . 154
3.9. Цементация неустойчивых пород при проходке шахтных стволов. . 159
Список литературы . 163

Читайте также: