На сегодняшний день в России существует большое количество зданий и сооружений, которые нуждаются в реконструкции самого здания и усилении оснований. Многие из этих зданий находятся на слабых грунтах и в сложных инженерно-геологических условиях. Актуальной темой исследования является использование новых высокотехнологичных методов в области подземных строительных работ на примере струйной цементации (jet grouting).
Jet Grouting (от англ. — струйная цементация) — это метод создания массива из грунтоцемента — материала, обладающего определенными деформационными и прочностными характеристиками.
Сущность технологии заключается в использовании энергии высоконапорной струи цементного раствора для разрушения и одновременного перемешивании грунта с цементным раствором в режиме «mix-in-place» (перемешивание на месте) [1]. Процесс создания грунтоцемента показан на рисунке 1.
Рис. 1. Формирование грунтоцементных свай
Технология струйной цементации грунтов появилась практически одновременно в трех странах — Японии, Италии, Англии. Инженерная идея оказалась настолько плодотворной, что в течение последнего десятилетия технология струйной цементации мгновенно распространилась по всему миру, позволяя не только более эффективно решать традиционные задачи, но и найти новые решения иных многочисленных сложных проблем в области подземного строительства.
Наибольшее развитие технология струйной цементации получила в Японии и ряде европейских стран. В нашей стране она, как правило, использовалась при устройстве противофильтрационных завес для плотин и дамб в гидротехническом строительстве
Первое применение струйной цементации в СССР было в 1979 г. При строительстве временной противофильтрационной завесы в котловане низовой плотины Загорской ГАЭС. Экспериментальные и теоретические исследования технологии производились НИИОСП им. Герсеванова совместно с «Гидроспецпроектом» начиная с 1980 гг. Дальнейшее применение технология струйной цементации нашла на ряде объектов промышленного и гражданского строительства: устройство противофильтрационных завес, закрепление просадочных грунтов, усиление оснований под существующими зданиями, устройство вертикальных дрен для замачивания и уплотнения просадочных грунтов [1].
В разное время развитию способов усиления фундаментов и основания данной технологии посвящены научно-исследовательские работы: Малинин А. Г., Мангушев Р. А., Панферов А. А., Осокин А. И., Конюшков В. В., М. Н. Ибрагимов, Семкин В. В., Маковецкий О. А., Зуев C. C., И. И. Хусаинов, А. В. Черняков [1,2,3,4,5].
Закреплять методом струйной цементации можно песчаные, супесчаные, суглинистые и глинистые грунты любой степени водонасыщенности. В зависимости от грунтовых условий и требуемого диаметра и прочности создаваемой jet-сваи закрепление производиться по следующим трем технологиям.
— Однокомпонентная технология — jet-1. Разрушение грунта производится струей цементного раствора. Технология наиболее простая в исполнении и при оптимальном расходе цемента порядка 0,4 т/м jet-сваи достигаются наибольшая плотность и прочность.
— Двухкомпонентная технология — jet-2. Для увеличения объема (диаметра) закрепляемого грунта в jet-свае используется дополнительно энергия сжатого воздуха в виде искусственно образуемой воздушной рубашки вокруг струи цементного раствора, резко снижающей сопротивление окружающей среды вокруг нее. Плотность, а следовательно, и прочность грунтоцементной пульпы после твердения, в результате насыщения (аэрирования) воздухом снижается на 10–15 % по сравнению с jet-1.
— Трехкомпонентная технология — jet-3. Разрушение грунта производится струей воды в искусственном воздушном потоке, а цементный раствор подается под невысоким давлением через отдельное сопло. Плотность и прочность получаемого грунто-цемента значительно ниже, чем при jet-1 и jet-2.
Технология jet-1 применяется преимущественно в крупно- и среднезернистых песках, а jet-2 и jet-3 — в супесчаных и связных грунтах.
Данные виды технологии jet-grouting изображены на рис. 2.
Рис. 2. Виды струйной цементации
Сейчас струйную цементацию грунтов начинают активнее использовать в строительстве. 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.
Был предложен вариант крепления котлована, предусматривающий устройство по контуру шпунтового ограждения вертикальной стены из армированных грунтоцементных свай и распорной плиты толщиной 2 м в основании котлована на глубине 12 м от поверхности земли из неармированных грунтоцементных свай (рис. 3). 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;
— исключение аварийных осадок зданий и сооружений, расположенных на прилегающей территории.
Рис. 3. Схема конструктивных решений крепления котлована с применением струйной технологии закрепления грунта
Таким образом, с помощью струйной технологии цементации можно при необходимости успешно устраивать в основании глубоких котлованов, ограждаемых шпунтом, распорные грунтоцементные плиты. Применение конструктивных решений со струйной цементацией грунта позволяет обеспечить устройство глубоких котлованов в слабой толще на территории с плотной городской застройкой.
Также одним из примеров успешного применения струйной технологии является реконструкция подземной части здания АБДТ им. Г. А. Товстоногова. Театр давно нуждался в капитальном ремонте, и долгожданная реставрация стала основанием для серьезной реконструкции здания и приспособления его к новым театральным технологиям. Это, в свою очередь, потребовало провести сложные реконструкционные работы подземной части сооружения. Один из этапов усиления фундаментов является устройство направленного jet grouting и слабосекущихся свай. Слабосекущиеся сваи ограждения котлована выполнялись на участках, где новая фундаментная плита предусматривалась ниже подошвы существующих фундаментов на 1,2 м. На участках устройства плиты ниже подошвы существующих фундаментов до 0,5 м выполнялось закрепление грунтов только по технологии «jet grouting» (Рис.4). Помимо этого было выполнено устройство противофильтрационной завесы.
Рис. 4. Схема усиления основания под подошвой фундаментов методом jet grouting
Проведенные конструктивные мероприятия принесли ожидаемый эффект — фильтрация воды в помещения практически прекратилась, что позволило выполнить работы по углублению и устройству новой плиты пола в предполагаемых к реконструкции помещениях, выполнить обмазочную и смонтировать прижимную рулонную гидроизоляцию.
Также технология jet grouting используется для понижения подвалов на объекте в центральной части города Санкт-Петербург.
Для исключения суффозионных процессов в процессе выполнения технологического этажа, учитывая сложные гидрогеологические условия на объекте и тот фактор, что экскавация грунта будет выполняться ниже отметок грунтовых вод, проектом были предусмотрены дополнительные мероприятия по устройству закрепления грунтов в основании фундаментов, выполняемой по технологии «Jet Grouting» (Рис.5). Проект включает два этапа: 1) выполнение закрепления грунтов в основании существующих фундаментов; 2) выполнение площадного закрепления грунтов основания.
Рис. 5. Усиление подземной части исторического здания в центральном районе Санкт-Петербурга технологией jet grouting
Таким образом, технология jet grouting позволяет улучшить прочностные и деформационные характеристики основания. Струйная цементация может применяться в различных условиях, в том числе и стесненных, а также имеет широкую область применения.
Литература:
- Малинин А. Г. Струйная цементация грунтов. М.: ОАО «Издательство «Стройиздат», 2010.
- Мангушев Р.А, Панферов А. А., Осокин А. И., Конюшков В. В. Реконструкция подземной части Российского Государственного Академического Большого Театра (АБДТ) имени Г. А. Товстоногова в г.Санкт-Петербурге. Геотехника. Теория и практика. Общероссийская конференция молодых ученых, научных работников и специалистов: межвузовский тематический сборник трудов; СПбГАСУ. — СПб., 2013.
- М. Н. Ибрагимов, канд. техн. наук В. В. Семкин, канд. техн. наук А. В. Шапошников, канд. техн. Наук. Способ контроля и прогнозирования параметров и прочности jet-свай при производстве работ. Вестник НИЦ «Строительство». 2017.
- О. А. Маковецкий, И. И. Хусаинов, Д. К. Серебренникова. Обеспечение геотехнической безопасности строящегося здания с применением технологии струйной цементации грунта. Вестник ПНИПУ. 2014.
- А. В. Черняков. Применение струйной цементации грунтов в условиях исторической застройки. Жилищное строительство. 2011. № 9. С.24–26.
