Часть 1

Перемешивание грунта, улучшает характеристики слабых и обводнённых грунтов.

Перемешивание грунта, улучшает характеристики слабых и обводнённых грунтов путем механического смешивания их с цементным раствором

СМЕШИВАНИЕ ГРУНТОВ - SOIL MIXING

Метод влажного смешивания грунта позволяет производить грунтоцементные колонны диаметром от 400 мм до 1500 мм и максимальной длиной 30 м. Данный метод является альтернативным вариантом струйной цементации грунтов (jet grouting) и стены в грунте diaphragm wall.

Перемешивание грунта по технологии Soil Mixing, также известное как метод глубокого перемешивания, улучшает характеристики слабых и обводнённых грунтов путем механического смешивания их с цементным раствором.

Основными процессами технологии являются механическое разрушение (измельчение) грунта, инъекция в грунт вяжущего элемента и перемешивание грунта с водоцементным раствором или другими химическими реагентами (известь, зола, шлак, бентонит и др.) при помощи буросмесительного инструмента. При этом в грунте формируется грунтоцементная колонна или свая с определенным фиксированным диаметром, который строго определяется размером смешивающих лопастей оборудования. Подача вяжущего материала осуществляется через сопла, расположенные на буровом наконечнике.

Способы повышения скорости выноса

Комплект технологического оборудования, применяемый для буросмесительной технологии, практически аналогичен комплекту оборудования для струйной цементации, но только вместо трёхплунжерного насоса используется менее производительный насос.

Таблица 1

Применение технологии влажного смешивания наиболее эффективно и целесообразно в песчаных и супесчаных грунтах. Наличие грунтовых вод не является противопоказанием к применению метода. В связных грунтах более эффективен сухой метод с применением негашенной извести и цемента.

Смешивание влажной почвы используется практически в любом типе почвы, включая органические вещества. Если содержание влаги больше чем 60%, то сухой метод смешивания почвы может быть более экономичен. Легкость перемешивания зависит от типа почвы, прочности, содержания воды, пластичности, и текстуры. При влажном перемешивании почвы возможна обработка на глубину до 30 метров.

Исследования в области возможности и эффективности закрепления связных грунтов цементами установили, что степень пригодности грунтов для закрепления цементами зависит как от минерального состава грунта, так и от его вида и гранулометрического состава.

Для глинистых грунтов основным показателем пригодности является минеральный состав, а именно количественное содержание минералов группы монтмориллонита. Степень пригодности грунтов к закреплению цемента приведена в таблице 1.

В гравийно-галечниковых грунтах смесительные технологии применяются редко, так как существует возможность разрушения рабочего органа буровой машины, а также требуются оборудование и установки с большими крутящими усилиями. В этих условиях более целесообразно применение технологии струйной цементации (jet grouting).

Приведенная в таблице методика оценки степени пригодности разработана на основе исследований взаимодействия минералов цемента с минеральными частицами грунта. Следует отметить, что грунт является активной средой, поэтому процесс взаимодействия цемента с грунтом представляет собой достаточно сложный процесс.

В зависимости от применяемого оборудования (буровые колонны или шнеки, режуще-смешивающие органы) конструкции противофильтрационных завес могут быть в виде плоских панелей, буросекущих и бурокасательных свай.

К материалу противофильтрационных завес предъявляются жесткие требования по водонепроницаемости, водоустойчивости, прочности, а также герметичности соединений. В качестве вяжущего чаще всего применяется цементный раствор.

Конструкции ограждения котлованов аналогичны конструкциям противофильтрационных завес, однако чаще всего применяют ограждения в виде касательных и буросекущихся свай. В этом случае к возводимым конструкциям предъявляются повышенные требования по прочности грунтоцемента и герметичности стыковых соединений. В качестве вяжущего элемента применяется цементный раствор.

Для увеличения несущей способности ограждения грунтоцементные сваи армируются арматурными каркасами, стальными трубами либо прокатными профилями (двутавры, швеллеры). Такие конструкции могут использоваться для защиты фундаментов существующих зданий при новом строительстве в условиях плотной городской застройки.

Технологию глубинного перемешивания грунтов можно также использовать и для закрепления слабых водонасыщенных грунтов на глубину до 40 м. Как правило, для закрепления грунтов используются многорядные буровые колонны, конструкция которых зависит от конкретных инженерно-геологических условий площадки. В качестве вяжущего элемента могут использоваться цемент, известь, бентонит, смеси бентонита и цемента либо другие реагенты.

В зависимости от проектных решений, требований к характеристикам улучшенного основания, типа сооружения, возводимого на искусственном основании, возможно устройство различных типов закрепленных массивов.

В основном такое закрепление применяется в дорожном строительстве, строительстве портовых сооружений и площадок различного назначения. В зарубежной практике буросмесительная технология используется для защиты грунтов от разжижения при сейсмических воздействиях. Для этих целей массив грунта закрепляется касательными или секущимися сваями, которые образуют сотовую или ячеистую структуру.

В некоторых случаях применяется комбинированное закрепление основания: совмещение объемной стабилизации грунтов и свайного закрепления.

Армирование основания является частным случаем закрепления грунтов. Армирование основания грунтоцементными сваями может конкурировать с другими методами армирования: забивными железобетонными сваями, полимерными армирующими элементами и др. Применение технологии DSM для армирования может оказаться более экономичным по сравнению с другими методами, особенно в труднодоступных местах строительства - в качестве основного материала для устройства свай является местный грунт.

Конструкции из грунтоцемента могут также использоваться в качестве фундаментов зданий и сооружений. Как правило, такие фундаменты используются для малоэтажного сельского строительства и малонагруженных сооружений. Фундаменты могут устраиваться в виде свай, фундаментных лент. При использовании в конструкциях фундаментов к грунтоцементу предъявляются повышенные требования по прочности, сплошности и водоустойчивости.

Миксерные станции для приготовления раствора необходимы для технологий «мокрого» перемешивания грунтов. Как правило, комплекс насосно-растворного оборудования аналогичен, как и для технологии струйной цементации, т. е. применяются стандартные миксерные станции производительностью от 20 м3 до 30 м3.

Силос Для хранения цемента используются стационарные силосы.

Одним из перспективных направлений применения буросмесительной технологии является усиление оснований и фундаментов существующих зданий. Преимуществом такого метода является его экономичность, отсутствие динамических воздействий. Существует два способа усиления оснований и фундаментов – усиление оснований наклонными элементами (сваями), подведение вертикальных свай под существующие фундаменты. В первом случае устройство наклонных свай осуществляется малогабаритными станками с буросмесителями малого диаметра (до 350 мм).

В зависимости от типа технологии буровые органы могут иметь различную конфигурацию.

Для смешивания используется буровой инструмент, состоящий из следующих элементов:

Для буросмесительной технологии не требуются насосы с высоким давлением, так как разрушение грунта происходит механическим путем. В связи с этим в практике используются обычные растворонасосы низкого давления до 10 бар.

Таблица 5

В других случаях рекомендуется нагнетание цементного раствора снизу вверх, а также при использовании технологии «сухого» перемешивания грунтов.

В связи с разнообразием грунтов, различными их физико-механическими характеристиками, а также разным строением на сегодняшний день пока не существует инженерной методики расчета характеристик грунтоцемента. Поэтому для каждой строительной площадки характеристики грунтоцемента, а также технологические параметры назначаются по результатам полевых испытаний или по опыту проектирования. Помимо степени пригодности грунтов к закреплению необходимо также учитывать экономическую оценку эффективности такого закрепления: к примеру, в торфяных грунтах выторфовка и замена слабого слоя грунта песком может оказаться экономически более выгодной, чем закрепление цементами посредством той или иной смесительной технологии.

Для закрепления заторфованных и заиленных грунтов финскими специалистами из компании Rambol рекомендуется применение смеси вяжущих из извести, цемента, гипса и различных шлаков. На основе проведенных опытов была составлена таблица степени пригодности вида вяжущего материала для тех или иных грунтов.

Типовые технологические параметры буросмесительной технологии

В соответствии с зарубежной классификацией смесительные технологии разделяются следующим образом:

По типу вяжущего:
• раствор (цементный, цементно-известковый) –W (wet - вода);
• вяжущее в сухом состоянии (известь и т. д.) – D (dry - сухой).
По способу перемешивания вяжущего:
• вращение бурового инструмента – R (rotation - вращение);
• вращение + высоконапорная инъекция вяжущего –J (jet - струя).

По месту расположения смешивающих лопаток:
• на забое – Е (end - конец);
• по всей длине ствола – S (shaft - ствол шахты, колонна).

Таблица 2

Критерием пригодности в данном случае являлась прочность на одноосное сжатие в возрасте 28 сут со дня перемешивания грунта с вяжущим материалом. Значения прочности устанавливались для различного соотношения грунт/вяжущее и регламентировались европейским стандартом по стабилизации слабых грунтов EuroSoilStab 2002.

Таблица 3

Примечания: *Применяется в редких случаях. **Расход вяжущего на 1 м сухого грунта.

Примечания: * – менее пригодны; ** – пригодны; – непригодны

Для закрепления грунтов, как правило, применяют портландцемент стандартных марок (М400, М500) . В зависимости от влажности закрепляемых грунтов цемент перемешивается в сухом виде или в виде раствора.

Для заболоченных мест или грунтов с повышенной влажностью в качестве вяжущего материала может применяться негашеная известь в сухом виде, которая при взаимодействии с водой превращается в гашеную известь. Также возможно применение смеси цемента и извести в определенных пропорциях. В отдельных случаях в качестве вяжущего могут быть применены доменные шлаки, золы или шлакопортландцемент.

Для ускорения твердения, повышения прочности и водонепроницаемости грунтоцемента в раствор вводятся различные добавки: ускорители, пластификаторы (типа ССБ, С-3 и др.), гидрофобизаторы и прочие. Количество и вид вяжущего подбираются в лабораторных условиях, затем корректируются полевыми испытаниями. Bведение пластификаторов в раствор повышает прочность грунтоцемента, а также улучшает механическое перемешивание глинистых грунтов с вяжущим за счет разрушения их структурных связей.

При использовании извести в качестве вяжущего материала следует ожидать увеличения сроков набора прочности. По сравнению с цементом набор проектной прочности грунтоцемента происходит в течение 70-90 сут, соответственно для извести эти сроки могут быть выше в 1,5-2 раза.

Применение добавок ограничивается необходимостью использования дополнительного технологического оборудования: для приготовления смеси вяжущего материала с добавками необходим дополнительный смеситель, в котором будет приготавливаться смесь в необходимых объемах.

В некоторых случаях при объемной стабилизации грунтов помимо вяжущего в грунт также добавляется некоторое количество песка (100-150 кг/м³) для повышения однородности при закреплении торфов. Песок отсыпается до начала работ по стабилизации грунтов, после чего начинается перемешивание.

Таблица 4

Основными технологическими параметрами для буросмесительных технологий являются скорость подъема/погружения бурового органа, расход раствора, скорость вращения рабочего органа. Все эти параметры должны обеспечить равномерное распределение вяжущего по высоте сваи (панели) и тщательное измельчение грунта и перемешивание его с вяжущим материалом.

Скорость вращения рабочего органа подбирается опытным путем и должна обеспечивать более полное разрушение и измельчение грунта. Если в процессе производства работ за один проход не получается требуемого измельчения грунта, то дополнительное перемешивание производят повторным погружением/поднятием рабочего инструмента.

Требуемое значение раствора на погонный метр колонны устанавливается из проектных значений прочности, водонепроницаемости.

Типовые значения технологических параметров для буросмесительных технологий приведены в таблице. Как правило, значения технологических параметров, указанные в таблице, корректируются в ходе выполнения опытных работ, проведение которых обязательно перед началом строительства. Если имеются опытные данные в схожих инженерно-геологических условиях, то необходимо использовать их при проектировании. Объем полевых работ будет существенно меньше.

Диаметр грунтоцементных колонн (свай). Как было отмечено, диаметр получаемых грунтоцементных колонн жестко фиксируется размерами применяемого оборудования. Для технологий глубинного закрепления грунтов диаметр может изменяться от 0,6 м до 1,5 м.

Длина грунтоцементных свай. Максимальная длина грунтоцементных свай также зависит от применяемого оборудования и может достигать 30 м. Наибольшая глубина бурения в случае устройства грунтоцементного массива (например, горизонтальной противофильтрационной завесы) ограничивается величиной максимального отклонения скважины при бурении.
Данная величина зависит от грунтовых условий, оборудования, квалификации персонала . Указанный параметр очень важен при проектировании ограждения котлованов, устройства защитных мероприятий и геомассива.

Прочностные характеристики грунтоцемента. Прочностные характеристики грунтоцемента являются на сегодняшний день одним из наиболее сложных параметров грунтоцемента при проектировании. В разных источниках приведены зависимости конечной прочности грунтоцемента от прочности и содержания вяжущего в объеме укрепленного грунта.

Нагнетание цементного раствора в течение всего технологического цикла следует применять:

В зависимости от инженерно-геологических условий закрепляемости грунтов и глубины закрепления проектом может быть предусмотрен один из трех технологических вариантов (для «свайного» закрепления грунтов):

Похожие статьи

Информационные полезные статьи о бурении