Манжетная технология закрепления грунтов и усиления фундаментов

Обновлено: 06.05.2024

Главной составляющей технологии манжетной цементации является манжетная колонна, погружаемая в цементационную скважину. Эта колонна оборудована специальными клапанами, позволяющими производить цементацию грунтов позонно с применением избыточного давления. Также существенным преимуществом является возможность использовать манжетную колонну для многократных повторов инъекции.

Традиционно манжетная колонна погружается в скважину, заполненную малопрочным цементно-бентонитовым или специализированным составом - обойменным раствором. Данный раствор не позволяет инъецируемому раствору свободно распространяться вдоль скважины, а направляет его непосредственно в инъектируемый горизонт грунта.

Технология манжетной цементации грунтов позволяет производить инъекцию укрепляющих или стабилизирующих растворов в грунт с высокой степенью точности и избирательности по глубине в сравнении с безманжетной цементацией. Также по информации о давлении и литраже инъекции в конкретных горизонтах можно делать выводы о характеристиках грунта и эффекте проводимой цементации.

В зависимости от консистенции, состава раствора и давления инъекции манжетная цементация может производиться:

в режиме пропитки,

в режиме заполнения полостей

в режиме уплотнения грунта

в режиме гидроразрывов (метод «Геокомпозит»), в том числе для оперативного компенсационного изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) грунтов.

Применение манжетной цементации возможно в песчаных, суглинистых, глинистых, насыпных грунтах, лёссах и других грунтах.

Манжетная цементация выполняется с применением пакера (обтюратор). Чаще всего используются двойные пакеры, позволяющие изолировать необходимый горизонт для инъектирования грунта с двух сторон.

АО «Геократон» имеет многолетний опыт применения манжетной технологии цементации грунтов на множестве строительных объектов, а также все необходимое насосное и вспомогательное оборудование.

Технология Манжетная цементация была применена на следующих объектах

Мы предлагаем нашим заказчикам изготовление манжетных колонн под заказ для каждого конкретного проекта. Колонны могут быть изготовлены по Вашей рабочей документации (например, совмещены с буровым инструментом) или серийно изготавливаемые. Так же можем произвести доработку под конкретную задачу. Манжетные колонны могут быть изготовлены как из стали, так и из ПВХ.

Манжетные колонны используются для закрепления грунтов оснований зданий и сооружений под фундаментами мелкого заложения.

Существует два основных вида манжетных колонн:

При закреплении грунтов с использованием манжетных колонн применяется двойной пакер, перемещаемый внутри манжетной колонны.

Более подробно о методе манжетной технологии можно прочитать далее.

Метод манжетной технологии

При использовании для целей укрепительной инъекции метода манжетной технологии (ММТ) спектр закрепляемых грунтов практически неограничен. Эта технология выгодно отличается от традиционного способа инъекции нисходящими зонами, когда последовательно заливают раствором скважины и разбуривают их после схватывания с уменьшением диаметра.

В этом случае цементный столб выше зоны инъекции играет роль тампона, в то время как при использовании ММТ применяется переносной двойной тампон, перемещаемый в трубах с манжетами.

Однако при закреплении связных грунтов необходим учет ряда обстоятельств, отражающих специфику их разрушения при действии локальных инъекционных давлений. В противном случае инъекция может вызвать ухудшение физико-механических характеристик основания по сравнению с первоначальными.

Используемая для целей противофильтрационного закрепления конструкция манжетной колонны показана на рис. 1.
(Конструкция манжетной колонны: 1—труба, 2—отверстие, 3—манжета, 4—обойма, 5—грунт).
Все детали этой конструкции выполняют определенные функции. Стальная труба, внутри которой перемещается двойной пакер, имеет минимальный внутренний диаметр 50-60 мм. Труба снабжена отверстиями по высоте, перекрытыми манжетой из литой резины толщиной 3-5 мм и шириной 100 мм, которая играет роль клапана, препятствующего обратному поступлению в трубу раствора (обойменного и закачиваемого в грунт). Манжета фиксируется на трубе двумя приваренными кольцами. Раствор нагнетается в грунт с помощью двойного пакера одновременно через 4 отверстия диаметром 5-6 мм.

Отверстия располагаются по высоте обычно с шагом 330 мм, однако это расстояние может быть и большим, вплоть до 1 м. Обойма толщиной 3-5 см герметизирует затрубное пространство, не позволяя раствору подниматься вдоль трубы вверх.

В последние годы ММТ используется в Санкт-Петербурге для закрепления грунтов оснований зданий и сооружений под фундаментами мелкого заложения. При этом практически полностью используется описанная выше технологическая оснастка и метод ведения работ. Конструктивные изменения заключаются лишь в замене стальных манжетных колонн на колонны ПВХ, на наружной поверхности которых для фиксации манжет устроены прорези. Шаг отверстий по вертикали постоянен и не зависит от особенностей инъектируемых грунтов и напряженного состояния основания.

Технологическим отличием применяемой в Петербурге укрепительной инъекции от противофильтрационной является способ заливки обойменного раствора. В наиболее распространенном случае бурения насухо этот раствор заливается сверху, а не через нижнюю манжету, что вполне оправданно, учитывая малую глубину скважин (обычно не более 3-4 м от дневной поверхности или пола подвала).

Вместе с тем очевидно, что цели противофильтрационной и укрепительной инъекции различны. В последнем случае основание после отвердевания раствора должно обладать существенно большей прочностью и меньшей деформативностью.

Однако в отличие от пропитки, когда раствор заполняет до 70% объема пор, для ММТ характерна большая вариация свойств закрепляемого массива в разных точках, так как линзы затвердевшего раствора соседствуют с непропитанным грунтом. При этом согласно опытным данным общий объем раствора в пересчете на 100% выхода тампонажного камня составляет обычно не более 5-15% от объема закрепляемого грунта.

Таким образом, для повышения общей прочности заинъектированного массива, в связи с малым объемом твердых растворных включений следует применять для них весьма прочные растворы. И, наоборот, для укрепительной инъекции по ММТ нецелесообразно применение тонких слабопрочных растворов, используемых для однорастворной силикатизации. Обеспечивающие большую прочность смолы различного состава токсичны и не могут быть рекомендованы при инъекции непосредственно под фундаментами зданий. Следовательно, при укрепительной инъекции естественных оснований зданий возможно использование лишь относительно высокопрочных микро-цементных растворов.

Исследования показали, что обойма разрушается от краев манжет, откуда раствор через многочисленные тонкие трещины внедряется в грунт (рис. 2)(Разрушение обоймы при наличии прочной резиновой манжеты: 1—ось симметрии манжетной колонны , 2—раздувные манжеты двойного пакера , 3—инъекционная трубка двойного пакера, 4—манжета, 5—обойма, 6, 7—трещины в обойме и грунте). Сама манжета, изготовленная из эластичной резины, не рвется и фактически создает экран для распространения раствора по меньшей мере в зоне ее ширины. Не подлежит сомнению то обстоятельство, что такая картина трещинообразования вытекает не из особенностей инъектируемых грунтов, закачиваемых растворов и прочностных характеристик обоймы, а является следствием наличия широкой неразрушаемой манжеты.

Очевидно, что в случае закрепления при этой оснастке практически любых грунтов достаточно грубыми цементными растворами большая часть трещин не будет заполнена.

Исследования инъекции цементного раствора в глинистые грунты показали, что оптимальным является случай, когда раствор инъектируется в грунт в виде одной сплошной линзы толщиной 2-4 см. При этом обеспечивается наилучшее армирование и уплотнение грунта (рис. 3)(Распространение раствора в грунте в случае разрушаемой в ходе гидроразрыва манжете: 1—ось симметрии, 2—манжетная колонна, 3—линза раствора, 4—границы зон сильного уплотнения грунта). Такая текстура инъектируемого массива будет иметь место либо при очень узкой манжете, либо при той ее конструкции, которая допускает разрыв сразу же после начала закачки раствора. В случае же препятствия на пути горизонтального распространения раствора в грунтах возникает текстура, аналогичная рис. 2. При этом раствор не проникает в большинство трещин и упрочнение грунта будет слабым. В связи с этим, для укрепительной инъекции любых грунтов микро-цементными растворами желательным явится такая конструкция манжеты, которая не препятствовала бы распространению раствора в грунт по кратчайшему горизонтальному направлению.

Наиболее простое конструктивное решение при этом будет обеспечено в случае использования в качестве манжеты нескольких слоев велосипедной камеры. Очевидно, что после разрушения манжеты опасаться обратного проникновения раствора в трубу ввиду малого сечения отверстий не следует. По тем же причинам также исключено поступление в трубу грунтовых вод ввиду малости в пределах глубины инъекции гидростатических давлений и незначительной длительности процесса инъекции через одну трубу вплоть до ее окончательной заливки цементным раствором.

Описанная конструкция манжеты будет выполнять только функции герметизации колонны при заливке обойменного раствора. После затвердевания обоймы и начала инъекции манжета необратимо разрушается. Подобный однократный срок службы манжеты с соответствующим участком обоймы до изобретения манжетной технологии реализовывался при взрывных перфораторах, применяемых нефтяниками. Очевидно, при заливке обойменного раствора сверху все манжеты на трубе могут выполняться описанным образом. В случае бурения первичных скважин в неустойчивых грунтах под защитой глинистого раствора стандартная манжета из литой резины устраивается только в самом низу, так как через нее в скважину подается обойменный раствор, вытесняющий буровой.

Однократный срок службы манжеты, не позволит производить многократную инъекцию в те или иные зоны основания. Однако повторное внедрение раствора в грунт спустя некоторое время неизбежно вызывает разрушение образовавшихся при первичном инъектировании структурных связей. В большинстве случаев это нежелательно, в связи с чем при укрепительной инъекции следует стремиться закрепить грунт при однократной обработке скважин, двигаясь снизу вверх.

В отношении устраиваемой на трубах прорези следует отметить, что она изначально предназначалась для фиксации манжеты от смещения вдоль трубы. Это явление, безусловно, имеет место при горизонтальном вдавливании труб из технологических колодцев (так называемая горизонтальная технология), однако полностью отсутствует в случае опускания трубы с манжетами в готовую скважину с последующей заливкой (сверху или снизу) обойменным раствором. В связи с этим манжетная труба может быть совершенно гладкой снаружи, что упростит ее изготовление.

Количество выпускных отверстий в трубе, традиционно равное четырем для более равномерного распределения раствора в горизонтальной плоскости, очевидно, может быть увеличено до 6 или даже до 8. Окончательное решение по этому поводу должно приниматься на основе прочностного расчета ослабленного сечения пластмассовой манжетной трубы на ожидаемые максимальные давления гидроразрыва и инъекции.

Шаг перфорации в вертикальном направлении определяется, вообще говоря, целым рядом обстоятельств (особенностью напластования грунтов под подошвой фундамента, напряженно-деформированным состоянием основания в ходе инъекции, а также требуемыми конечными значениями прочности и деформативности закрепленного массива). Исходя из опыта укрепительной инъекции, расстояния между отверстиями по высоте обычно варьируют от 0,3 до 1 м. Окончательное расположение отверстий, а также давлений инъекции в разных горизонтах целесообразно устанавливать в ходе численного моделирования.

Таким образом, конструкция манжетной колонны для целей укрепительной инъекции оснований зданий и сооружений может быть упрощена по сравнению с существующими аналогами. Эти упрощения касаются в основном конструкции манжеты, которая должна разрушаться с началом подачи давлений в грунт. Помимо простоты устройства, присутствие разрушаемой манжеты будет обеспечивать максимальное раскрытие трещин в плоскости разрыва, что будет способствовать их заполнению достаточно грубыми цементными растворами. С другой стороны, при большем раскрытии заполняемых раствором трещин вокруг последних будут увеличиваться размеры зон уплотняемого грунта. Как уже отмечалось, шаг отверстий в трубе по вертикали следует в каждом конкретном случае закрепления увязывать прежде всего с напряженно-деформированным состоянием системы "фундамент - усиливаемое инъекционными давлениями основание". Следовательно, предпроектные работы должны включать в себя операции по численному моделированию геотехнических ситуаций, возникающих при гидроразрывах в грунтах и инъекции. Моделирование позволит оценить также несущую способность и деформативность закрепленного основания, а следовательно, и резервы догрузки фундаментов. Совокупность перечисленных операций даст возможность минимизировать расход раствора и общее количество инъекционных скважин.

Схема установки манжетных колонн определяется:

геометрическими параметрами массивов закрепляемого грунта;
условиями доступа к месту инъекции;
принятым по условиям инъекции радиусом распространения суспензии;
видом конструкции фундаментов (ленточные, штучные, свайные) при повышении несущей способности фундаментов
назначением инъекционного закрепления (усиление фундаментов, стена в грунте, горизонтальный экран, противофильтрационная завеса)

Шаг створов или сетки установки манжетных колонн (L) определяется формулой: L = k_м D (дм), где:

D – принятый диаметр распространения суспензии при закреплении грунта (дм),
K_м – коэффициент выравнивания массива, значение которого принимается от 0,6 до 0,9 в зависимости от назначения инъекционного закрепления и вида конструкции фундаментов.

Варианты схем установки манжетных колонн-инъекторов, для инъекции микро-цементов представлены в таблице ниже.

Односторонняя схема с одиночными инъекторами.

Применяется для закрепления грунтов под неширокими ленточными или штучными фундаментами.

Угол наклона смежных инъекторов рекомендуется принимать с разницей в несколько градусов. Точное значение угла наклона инъекторов определяется геометрическими построениями при симметричном позиционировании массивов относительно центральной оси фундаментов.

Односторонняя схема с несколькими инъекторами в одном створе.

Применяется для закрепления грунтов под широкими ленточными или штучными фундаментами при невозможности доступа с одной из сторон.

Двухсторонняя схема с одиночными инъекторами.

Применяется для закрепления грунтов под не широкими ленточными или штучными фундаментами при доступе с 2-х сторон.

Двухсторонняя схема с несколькими инъекторами в одном створе.

Применяется для закрепления грунтов под широкими ленточными или штучными фундаментами при доступе с 2-х сторон.

Схема установки инъекторов по периметру.

Применяется для закрепления грунтов вокруг свай и штучных фундаментов.

Схема установки инъектора в каркас изготавливаемой сваи.

Применяется при устройстве свай с опорной корневой пятой. Инъектор устанавливается вместе с каркасом сваи.

Инъекция осуществляется до истечения 24 часов после заливки сваи бетоном через разрывы в бетоне.

Схема установки инъекторов при устройстве горизонтальных экранов и целиков в грунте.

Применяется при устройстве разгружающих экранов тоннелей, горизонтальных противофильтрационных экранов, целиков грунта для проходки штолен.

Применяется треугольная сетка расположения инъекторов с ячейкой в виде равностороннего треугольника.

При устройстве стен в грунте, вертикальных завес используется аналогичная схема в виде двух рядов инъекторов, смещенных на половину шага.

Рекомендации по принятию значения коэффициента выравнивания массива (k_м)

Проектная задача	Значение k_м
Закрепление грунта под ленточными фундаментами	0,9
Закрепление грунта вокруг свай	0,8
Закрепление грунта при устройстве стен подвалов в существующих зданиях	0,7
Закрепление грунта под штучными фундаментами	0,6
Закрепление грунта при устройстве противофильтрационных завес и экранов, стен в грунте	0,6

Диаметр манжетных труб инъекторов определяется по таблице ниже:

Длина инъектора (вертикальное расположение)

Диаметр инъекционной скважины D_скв определяется по формуле:
D_скв. = d_{инъект.} + 50 мм, где d_инъект – диаметр манжетной трубы.

Инъекционная скважина заполняется обойменным раствором, в который опускается манжетная колонна. При этом манжетная колонна заполняется водой.

Обойменный раствор выполняет функцию обойменного замка инъектора, который не позволяет инъекционной суспензии утекать вдоль манжетная колонна.

Обойма должна иметь низкую структурную прочность (до 1 МПа на сжатие). В момент подачи суспензии в зону определенной манжеты, манжета деформируется и в обойменном материале возникают поперечные трещины, которые и являются каналами доставки суспензии в грунт.

В качестве обойменного раствора рекомендуется применять цементно-бентонитовый раствор (цемент/бентонит/вода = 0,2/1,0/0,8) или тощий цементно-песчаный раствор. При использовании цементно-песчаного раствора время выстойки скважины до инъекционных работ не должно превышать 12 часов.

Глухая (безманжетная) часть инъектора заполняется цементно-песчаным раствором.

После проведения инъекции манжетная труба не извлекается.

Схема подачи инъекционной суспензии в грунт:

Размещение манжетная колонна в скважине должно соответствовать проектному положению массива закрепляемого грунта.

Расположение верхней манжеты должно находиться ниже проектной отметки верхней границы массива на 1/3 расстояния между манжетами, а расположение нижней манжеты - выше проектной отметки нижней границы массива на 2/3 расстояния между манжетами.

Данное смещение инъектора вверх компенсирует гравитационный отток суспензии вниз.

Используемая для целей противофильтрационного закрепления конструкция манжетной колонны показана на рис. 1.(Конструкция манжетной колонны: 1—труба, 2—отверстие, 3—манжета, 4—обойма, 5—грунт). Все детали этой конструкции выполняют определенные функции. Стальная труба, внутри которой перемещается двойной тампон, имеет минимальный внутренний диаметр 50-60 мм. Труба снабжена отверстиями по высоте, перекрытыми манжетой из литой резины толщиной 3-5 мм и шириной 100 мм, которая играет роль клапана, препятствующего обратному поступлению в трубу раствора (обойменного и закачиваемого в грунт). Манжета фиксируется на трубе двумя приваренными кольцами. Раствор нагнетается в грунт с помощью двойного тампона одновременно через 4 отверстия диаметром 5-6 мм.

В последние годы ММТ используется в Санкт-Петербурге для закрепления грунтов оснований зданий и сооружений под фундаментами мелкого заложения. При этом практически полностью используется описанная выше технологическая оснастка и метод ведения работ. Конструктивные изменения заключаются лишь в замене стальных труб пластмассовыми, на наружной поверхности которых для фиксации манжет устроены прорези. Шаг отверстий по вертикали постоянен и не зависит от особенностей инъектируемых грунтов и напряженного состояния основания.

Таким образом, для повышения общей прочности заинъектированного массива, в связи с малым объемом твердых растворных включений следует применять для них весьма прочные растворы. И наоборот, для укрепительной инъекции по ММТ нецелесообразно применение тонких слабопрочных растворов, используемых для однорастворной силикатизации. Обеспечивающие большую прочность смолы различного состава токсичны и не могут быть рекомендованы при инъекции непосредственно под фундаментами зданий. Следовательно, при укрепительной инъекции естественных оснований зданий возможно использование лишь относительно высокопрочных цементных растворов. Однако эти растворы даже при введении различных стабилизирующих добавок способны проникать только в относительно крупные пустоты, что и будет определять требуемые размеры образуемых при гидроразрывах трещин.

Отметим, что исследования инъекции через манжетные трубы очень немногочисленны. В опытах, когда инъекция производилась в крупные пески глиносиликатным раствором и в мелкие пески - алюмосиликатным элемент манжетной колонны воспроизводился полностью. Несмотря на очевидные недостатки этого метода испытаний, связанные, в первую очередь, с отсутствием пригрузки инъектируемого массива, полученные картины разрушения обоймы и гидроразрывов в грунте должны быть внимательно изучены.

Исследования показали, что обойма разрушается от краев манжет, откуда раствор через многочисленные тонкие трещины внедряется в грунт (рис. 2)(Разрушение обоймы при наличии прочной резиновой манжеты: 1—ось симметрии манжетной трубы, 2—кольца тампона, 3—инъекционная трубка, 4—манжета, 5—обойма, 6, 7—трещины в обойме и грунте). Сама манжета, изготовленная из эластичной резины, не рвется и фактически создает экран для распространения раствора по меньшей мере в зоне ее ширины. Не подлежит сомнению то обстоятельство, что такая картина трещинообразования вытекает не из особенностей инъектируемых грунтов, закачиваемых растворов и прочностных характеристик обоймы, а является следствием наличия широкой неразрушаемой манжеты. Очевидно, что в случае закрепления при этой оснастке практически любых грунтов достаточно грубыми цементными растворами большая часть трещин не будет заполнена.

Исследования инъекции цементного раствора в глинистые грунты показали, что оптимальным является случай, когда раствор инъектируется в грунт в виде одной сплошной линзы толщиной 2-4 см. При этом обеспечивается наилучшее армирование и уплотнение грунта (рис. 3)(Распространение раствора в грунте в случае разрушаемой в ходе гидроразрыва манжете: 1—ось симметрии, 2—манжетная труба, 3—линза раствора, 4—границы зон сильного уплотнения грунта). Такая текстура инъектируемого массива будет иметь место либо при очень узкой манжете, либо при той ее конструкции, которая допускает разрыв сразу же после начала закачки раствора. В случае же препятствия на пути горизонтального распространения раствора в грунтах возникает текстура, аналогичная рис. 2. При этом раствор не проникает в большинство трещин и упрочнение грунта будет слабым. В связи с этим, для укрепительной инъекции любых грунтов относительно грубыми цементными растворами желательным явится такая конструкция манжеты, которая не препятствовала бы распространению раствора в грунт по кратчайшему горизонтальному направлению.

Наиболее простое конструктивное решение при этом будет обеспечено в случае использования в качестве манжеты нескольких слоев изоляционной ленты, как это рекомендовано для цементации анкеров. Очевидно, что после разрушения манжеты опасаться обратного проникновения раствора в трубу ввиду малого сечения отверстий не следует. По тем же причинам также исключено поступление в трубу грунтовых вод ввиду малости в пределах глубины инъекции гидростатических давлений и незначительной длительности процесса инъекции через одну трубу вплоть до ее окончательной заливки цементным раствором.

Описанная конструкция манжеты будет выполнять только функции герметизации трубы при заливке обойменного раствора. После затвердевания обоймы и начала инъекции манжета необратимо разрушается. Подобный однократный срок службы манжеты с соответствующим участком обоймы до изобретения манжетной технологии реализовывался при взрывных перфораторах, применяемых нефтяниками. Очевидно, при заливке обойменного раствора сверху все манжеты на трубе могут выполняться описанным образом. В случае бурения первичных скважин в неустойчивых грунтах под защитой глинистого раствора стандартная манжета из литой резины устраивается только в самом низу, так как через нее в скважину подается обойменный раствор, вытесняющий буровой.

Однократный срок службы манжеты, по-видимому, не позволит производить многократную инъекцию в те или иные зоны основания. Однако повторное внедрение раствора в грунт спустя некоторое время неизбежно вызывает разрушение образовавшихся при первичном инъектировании структурных связей. В большинстве случаев это нежелательно, в связи с чем при укрепительной инъекции следует стремиться закрепить грунт при однократной обработке скважин, двигаясь снизу вверх.

Шаг перфорации в вертикальном направлении определяется, вообще говоря, целым рядом обстоятельств (особенностью напластования грунтов под подошвой фундамента, напряженно-деформированным состоянием основания в ходе инъекции, а также требуемыми конечными значениями прочности и деформативности закрепленного массива). Исходя из опыта укрепительной инъекции, расстояния между отверстиями по высоте обычно варьируют от 0,5 до 1 м. Окончательное расположение отверстий, а также давлений инъекции в разных горизонтах целесообразно устанавливать в ходе численного моделирования.

Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 39 за 2000 год в рубрике технологии

Проблема укрепления грунтовых массивов и оснований эффективно решается применением методики манжетного инъектирования. Она подразумевает использование специальных труб для инъекций, выполненных из стали или жёсткого пластика и называемых манжетными колоннами. Через них можно в произвольной последовательности и неоднократно внедрять в предварительно пробуренные в грунт скважины любые связывающие составы. Габаритные размеры приспособлений определяются в проекте усиления.

Инъектирование с применением манжетных колонн позволит зафиксировать нестабильные почвы на больших заглублениях, укрепить слабые грунты, прилегающие к основанию фундамента, скорректировать их физические показатели. Технология останавливает осадку фундамента, снижает до нормативных значений деформации оснований. Методика эффективна для обустройства противофильтрационных завес, связывания сильно обводненных, заиленных грунтов. Манжетные колонны применяются даже при работах в сложных геологических условиях.

Возможности технологии

Существует несколько типов приспособлений, служащих для проведения инъекций. Одно из преимуществ манжетных колонн в том, что внедрение цементных составов тонкой дисперсии может выполняться исключительно с их участием. По всей длине трубы имеются боковые отверстия, которые закрывают резиновые манжеты, действующие по ниппельному принципу. Они не допускают проникновение воды, грунтовых пород внутрь колонны во время укрепляющих работ и до их начала.

Перед нагнетанием ремонтного раствора инъекторы размещают в предварительно пробуренные скважины. Суть метода манжетной инъекции в образовании прочного армирующего каркаса из застывшего укрепляющего состава. Структурно он напоминает ветви дерева, вырастающие из ствола, в роли которого выступает сам инъектор, который не извлекается. Образуется прочное основание, почти однородный массив, обладающий высокой несущей способностью. Он принимает на себя дополнительное давление, оказываемое зданием на фундамент, и распределяет его равномерно по площади его основания.

Эта технология выигрывает в сравнении с традиционными методами инъектирования нисходящими зонами, использование которых связано с заполнением скважин и их последующим разбуриванием.

Виды инъекторов

Промышленным способом производятся два типа манжетных инъекторов:

В отличие от колонн, выполненных их металла, пластиковые нельзя забивать или вдавливать в отверстия. Их просто погружают в высверленные скважины. Чтобы зазор между стенками скважины инъектора оставался равномерным, в процессе монтажа участвуют специальные центраторы. Эти приспособления также способствуют точности расположения колонны вдоль оси скважины. Установка завершается заполнением зазора обойменным раствором.

ПВХ-колонны обладают стандартной длинной в 2,4 метра, в то время как предел длины стальных достигает 12 метров. Относительно небольшая длина делает их пригодными для работ внутри помещений, в том числе подвальных. Манжеты обычно размещаются на расстоянии 40 сантиметров друг от друга. Возможны отклонения от этих стандартных значений.

Стальные инъекторы, как правило, изготавливают индивидуально. Их манжеты состоят из полиуретана. Такие колонны незаменимы при усилении грунтов глубокого залегания.

Как устанавливают манжетные инъекторы?

Особенности монтажа связаны с некоторыми факторами, например:

свойствами грунта, такими как его геометрические параметры;
доступом к участку, где будет вестись инъектирование;
указанным в проекте радиусом распространения крепящего раствора;
конструктивным типом фундамента;
целью, которую преследует инъецирование.

Существует несколько типовых схем установки манжетных колонн. В случае фундамента штучного типа или при закреплении грунтов вкруг свай, инъекторы расставляют по периметру. При устройстве опорных свай, вместе с её каркасом ставится и инъектор. Когда нужно сформировать горизонтальные противофильтрационные завесы, колонны располагают треугольником.

Сертифицированная строительная компания QASR внедрила манжетное цементирование в практику. Мы применяем его на объектах в Москве и других регионах страны. Это частный случай технологии инъектирования манжетными колоннами. У нас достаточно опыта в создании проектов и проведении расчётов принципа монтажа манжетных колонн, их установки, усиления грунтов различной природы с их участием.

Актуальной проблемой на сегодняшний день является определение рационального состава инъекционного раствора для повышения качества закрепления грунтов и усиления фундаментов зданий, подлежащих реновации, без ударных, вибрационных и механических воздействий. Одним из наиболее эффективных способов химического закрепления глинистого грунтового основания с высоким уровнем подземных вод является манжетная технология. В статье описан выбор раствора для инъекции по манжетной технологии для армирования и уплотнения глинистого грунтового массива. На основе выбора реагентов (цемент, бентонит, жидкое стекло (силикат натрия)) были приготовлены 24 образца растворов для проведения лабораторных испытаний. Исходя из требуемого значения растекаемости, было выделено 8 образцов для дальнейшего определения водоотделения. Выбор состава с минимальным значением водоотделения до 3% позволит сформировать в грунтовом массиве гидроразрывы, полностью заполненные раствором (без пустот и полостей). Испытания восьми образцов цилиндрической формы на гидравлическом прессе ПГМ-500МГ4 позволили определить образцы с необходимыми значениями прочности на сжатие и растяжение. После совмещения результатов испытаний были выбраны два состава инъекционного раствора с заданным процентным соотношением основных реагентов. Установлена необходимость дальнейших полевых испытаний выбранных растворов для химического закрепления грунтов с использованием манжетной технологии.

1. Мацегора А.Г. Инъекционное укрепление грунтов основания фундаментов / А.Г. Мацегора, А.И. Осокин, В.А. Ермолаев // Промышленное и гражданское строительство. – 2006. – № 7. – С. 52–53.

2. Ибрагимов М.Н. Закрепление грунтов инъекцией цементных растворов: монография / М.Н. Ибрагимов, В.В. Семкин. – М.: Издательство АСВ, 2012. – 254 с.

3. Ермолаев В.А. Упрочнение основания зданий и сооружений методом гидроразрыва с использованием манжетной технологии / Е.С. Вознесенская, В.А. Ермолаев, А.И. Осокин, С.В. Татаринов // Основания, фундаменты и механика грунтов. – 2014. – № 4. – С. 19–23.

4. Улицкий В.М. Геотехническое сопровождение развития городов / В.М. Улицкий, А.Г. Шашкин, К.Г. Шашкин. – СПб.: Стройиздат Северо-Запад, 2010. – 560 с.

5. Gabrielaitis L., Papinigis V., Zarzojus G. Estimation of Settlements of Bored Piles Foundation // Procedia Engineering. – 2013. – no. 57. – Р. 287–293.

6. Оржеховский Ю.Р. Инъекционное закрепление просадочных грунтов (метод контурной обоймы) / Ю.Р. Оржеховский, В.В. Лушников, Р.Я. Оржеховская // Академический вестник УралНИИпроект РААСН. – 2013. – № 3. – С. 78–81.

7. ГОСТ 26798.1-96. Цементы тампонажные. Методы испытаний. – Взамен ГОСТ 26798.0 – 85; введ. 1998 – 10 – 01. – Москва: Межгос. научно-техническая комиссия по стандартизации, техническому нормированию и сертификации в строительстве (МНТКС). – М.: Минземстрой России: ГУП ЦПП, 1998. – 13 с.

8. Сахаров И.И. Гидроразрывной метод закрепления оснований эксплуатируемых зданий и сооружений / И.И. Сахаров, М. Аббуд // Геотехника. Наука и практика: сб. науч. тр. – СПб., 2000. – С. 72–76.

9. Пономаренко Ю.В. Укрепление оснований фундаментов эксплуатируемых зданий и сооружений / Ю.В. Пономаренко, В.С. Кузькин // Промышленное и гражданское строительство. – 2012. – № 6. – С. 52–54.

10. Ларионова Н.А. Влияние состава и свойств лессовых грунтов на эффективность их укрепления методом силикатизации / Н.А. Ларионова // Геотехника. – 2015. – № 4. – С. 26–34.

На сегодняшний день довольно быстрыми темпами осуществляется развитие городов на всей территории Российской Федерации. Повсеместно осуществляется реновация имеющегося жилищного фонда, находящегося в аварийном или ограниченно работоспособном состоянии [1, 2]. Здания и сооружения, входящие в данный фонд, нуждаются в реконструкции, реставрации, модернизации и современной адаптации с использованием современных инъекционных технологий без ударных, вибрационных и механических воздействий [3, 4]. Причиной резкого ухудшения технического состояния зданий главным образом являются два фактора. Первый связан с серьезными нарушениями эксплуатации зданий: нарушениями температурно-влажностного режима, перегрузками несущих конструкций здания, не согласованными изменениями объёмно-планировочных и конструктивных решений здания и т.п. Второй фактор заключается в повышении уровня грунтовых вод, систематическими протечками инженерных коммуникаций, неисправной отмостки здания и ливнёвой канализации, что приводит к значительному увлажнению грунтового основания под зданием, существенному ухудшению его физико-механических характеристик, разрушению и потере устойчивости фундаментов, а также к неравномерным осадкам здания [5, 6].

В свою очередь, одним из наиболее эффективных способов усиления фундаментов и химического закрепления глинистого грунтового основания с высоким уровнем подземных вод является манжетная технология [2, 3, 6]. Отличительной особенностью технологии является управляемая поинтервальная по глубине инъекция раствора в режиме образования и распространения в грунтовом массиве гидравлических разрывов «гидроразрывов». Инъекция раствора осуществляется через перфорированную трубу, отверстия которой закрываются резиновыми манжетами, выступающими в роли обратного клапана «манжетная колонна». Манжетные колонны устанавливают в предварительно пробуренные скважины, заполняя пространство между перфорированной трубой и стенками скважины глиноцементной суспензией. После твердения глиноцементного раствора образуется грунтоцементная прослойка «обойма», связывающая трубу с грунтом и препятствующая выходу раствора во время инъекции по контуру между трубой и грунтом. Закрепление грунта осуществляется путем разрыва обоймы на заданном уровне скважины под давлением от 5 до 10 МПа [2, 6].

Цель исследования

Определить состав инъекционного раствора, удовлетворяющего требованиям по качественному и эффективному закреплению грунтового основания с использованием манжетной технологии инъекции раствора в режиме образования гидравлических разрывов.

Методы исследования. Для определения состава раствора и его основных технологических и прочностных характеристик в лаборатории кафедры геотехники на основании результатов научно-практических исследований растворов, проводимых в НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, представленных в работах Адамовича, Алексеева, Богова, Булатова, Воронкевича, Ибрагимова, Ржаницына и др. [2, 5, 6], были выбраны основные реагенты для приготовления растворов: цемент марки М400, бентонит марки ПБМБ, жидкое стекло (силикат натрия) с изменением процентного содержания водоцементного отношения В/Ц: 0,6–1,0. Цемент марки М400 – цемент общестроительного назначения, отличающийся грубой дисперсностью, показатель размера фракции d95 = 70–80 микрон (диаметр частиц, меньше которого в цементе содержится 95 процентов частиц), удельная поверхность 2500 см2/г. Бентонит марки ПБМБ – вследствие тонкости и коллоидных свойств минеральных частиц увеличивает стабильность и пластичность раствора. Под стабильностью раствора понимается приведение его в устойчивое состояние – агрегирование твердой фазы за счет гидрофильности глинистых частиц, предотвращение расслоения и уменьшения водоотделения в спокойном состоянии и уменьшение водоотдачи при инъекции в грунт. Также в состав бентонита входит кальцинированная сода (углекислый натрий) Nа2СO3 – позволяет связывать ионы кальция в растворах, содержащих гипс, ангидрит, цемент. Жидкое стекло (силикат натрия) – общая химическая формула имеет вид Na2ОхnSiО2, где n – число молекул кремнезема. Водный раствор силиката натрия представляет собой вязкую жидкость светло-желтого цвета, плотность которой составляет 1300–1800 кг/м3. Добавка жидкого стекла способствует ускорению времени схватывания раствора и увеличению его прочности. Водоцементное отношение (В/Ц) – составляет 0,6–1,2 исходя из требований к подвижности растворов, что приводит к большому избытку воды (по сравнению с обычно применяемыми в строительной практике) и, как следствие, снижению прочности получаемого цементного камня. Кроме того, неизбежны явления водоотделения и расслоения раствора, а также значительного отжатия воды под давлением инъекции.

Всего было изготовлено 24 образца с проведением испытаний: по определению растекаемости, водоотделения, прочности на сжатие и растяжение (рис. 1).

Определение характеристик растворов

Рис. 1. Блокировка пакера в результате осаждения цементных частиц

В соответствии с требованиями нормативных документов ГОСТ [7] растекаемость определялась при помощи конуса АзНИИ. По итогам первой серии экспериментов было выделено 8 образцов, соответствующих требованиям по показателю растекаемости – от 17 до 22 см.

В первой серии экспериментов определялась растекаемость инъекционных растворов по конусу АзНИИ (ГОСТ [7]), результаты которых представлены в таблице.

Далее проводились исследования по определению водоотделения в соответствии с требованиями ГОСТ [7] каждого из восьми образцов, результаты которых представлены в таблице. Данный фактор является очень важным, так как от него зависит формирование твёрдого остатка (седиментация) цементного камня при твердении.

При этом также следует учитывать увеличение процента водоотделения в процессе инъекции раствора под давлением [1–2]. Выбор состава с минимальным значением водоотделения до 3 % позволит сформировать в грунтовом массиве гидроразрывы, полностью заполненные раствором (без пустот и полостей), которые следует рассматривать как армирующие и уплотняющие глинистый грунтовый массив.

Для определения прочности на сжатие и растяжение при раскалывании было изготовлено 8 образцов цилиндрической формы d = 70 мм, h = 70 мм. Испытания проводились на гидравлическом прессе ПГМ-500МГ4 в соответствии с требованиями ГОСТ 310.4-81. «Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии» (введ. 30.06.1983). Прочность на сжатие раствора должна составлять от 6 до 8 МПа, на растяжение при раскалывании 0,6–0,8 МПа [2].

Совмещая между собой гистограммы табл. 1 по требуемым значениям характеристик водоотделения, прочности на сжатие и растяжение для дальнейших экспериментальных исследований было выбрано два состава, № 4 и № 24.

Дальнейшие исследования проходили на строительной площадке в г. Тюмени. Составы растворов использовались для устройства перфорированных инъекционных свай длиной до 6 м. Инъекция осуществлялась при помощи универсального шнекового растворонасоса по манжетной технологии с использованием гидравлического пакера. При времени инъекции состава № 4 до 4 часов и давлении до 1,8 МПа произошла блокировка пакера вследствие осаждения цементных частиц (рис. 1). Причиной осаждения является отсутствие связности между частицами цемента и воды, а также влияния жидкого стекла, ускоряющего время схватывания. При использовании состава № 24 блокировка пакера не происходила даже при более длительном беспрерывном времени инъекции до 6 часов и меньшем значении давления – до 1,0 МПа.

Для определения качества закрепления грунтового основания при помощи перфорированных инъекционных свай по манжетной технологии с использованием гидравлического пакера производилась экскавация грунта на всю глубину расположений свай с ручной доработкой в месте расположения гидроразрывов (рис. 2). На рис. 2, а, наглядно показано отличие цветового оттенка сформированных гидроразрывов состава № 4, имеющего светло-серый цвет, от состава № 24, имеющего светло-коричневый цвет из-за добавки бентонита.

Рис. 2. Результаты экскавации перфорированных инъекционных свай для оценки качества закрепления пылевато-глинистого грунтового основания: а – образцы составов № 4 и № 24, б – закрепление основания составом № 2 4, в – закрепление основания составом № 4; А – гидроразрывы тип «А», Б – гидроразрывы тип «Б»

На рис. 2, б, показано распространение гидроразрывов в грунте во время инъекции состава № 24. Объём инъекции раствора на один инъектор составлял 1000 л при давлении 0,8–1,0 МПа. Хорошо прослеживается распространение инъекционного раствора в массиве грунта на расстояние до 3 м от инъектора, что говорит о высокой проникающей способности данного состава. Средняя толщина гидроразрывов составляет 2 см. Также следует отметить большое количество мелких гидроразрывов толщиной от 2 до 5 мм.

На рис. 2, в, показано распространение гидроразрывов в грунтовом массиве во время инъекции состава № 4. Максимально возможный объём инъекции раствора на один инъектор составлял 400 л при давлении 1,2–1,8 МПа. По результатам экскавации, сформированные гидроразрывы в основном локализуются возле инъектора, радиус распространения составляет не более 0,5 м. Также на рис. 2, А–Б более детально показана текстура образующихся в грунтовом массиве гидроразрывов. И.И. Сахаров выделяет три характерные текстуры гидроразрывов при инъекции раствора в грунт [8]:

- Тип «А» – сплошные растворные вертикальные прожилки-линзы толщиной раскрытия 40–130 мм были обнаружении при инъекции состава № 24.

- Тип «Б» – многочисленные тонкие трещины, слабо заполненные раствором, с толщиной менее 10 мм были обнаружении при инъекции состава № 4.

- Тип «В» – тонкие трещины, разрыхляющие грунтовый массив без присутствия раствора – не были обнаружены.

Следует отметить, что для закрепления и уплотнения пылевато-глинистого грунтового массива оптимальной является текстура «Тип А» поскольку её можно рассматривать как армирующий элемент, текстура типа «Б» менее благоприятна [9–10].

Также на рис. 3 показаны геометрические параметры гидроразрывов свай с повторной инъекцией раствора и различным шагом отверстий перфорации: 30, 40 и 50 см.

Рис. 3. Характер распространения гидроразрывов с повторной инъекцией раствора: а – при шаге отверстий 30 см, б – при шаге 40 см, в – при шаге 50 см

При шаге отверстий перфорации – 30 см наблюдалось самое эффективное закрепление грунтового массива с образованием как вертикальных, так и горизонтальных гидроразрывов, при шаге 40 см образовывались только вертикальные гидроразрывы, при шаге 50 см – происходило образование одиночных, не связанных между собой гидроразрывов.

Следует объяснить логическое происхождение данных результатов. В начальный момент инъекции раствора в грунтовом массиве образовывались гидроразрывы, развивающиеся в вертикальной плоскости перпендикулярно инъектору: при шаге отверстий 50 см – на значительные расстояния от инъектора; 40 см – частично распространялись от инъектора и незначительно пересекались между собой; 30 см – в основном пересекались между собой и локализовались возле инъектора. При последующей (повторной) инъекции новые гидроразрывы: при шаге отверстий 50 см – свободно распространялись на значительные расстояния; 40 см – объединялись между собой и образовывали сплошную вертикальную стенку; 30 см – распространялись в горизонтальном направлении (горизонтальные гидроразрывы толщиной 5–20 мм) из-за переуплотнения грунтового массива вертикальными гидроразрывами и перераспределения напряжений в зоне инъекции.

Выводы

1. В результате проведения испытаний по определению растекаемости, водоотделения, прочности на сжатие и растяжение было определено два состава инъекционного раствора с заданным процентным соотношением основных реагентов по химическому закреплению грунтов с использованием манжетной технологии:

– водоцементный состав № 4 с водоцементным соотношением по массе равным 0,6 и добавлением 1 % жидкого стекла;

– глиноцементный состав № 24 с водоцементным соотношением по массе равным 1 и добавлением 5 % бентонитовой глины марки ПБМБ и 3 % жидкого стекла.

2. Добавка глины в составе № 24 повышает стабильность раствора, увеличивает его подвижность и проникающую способность, уменьшает расслоение, но при этом резко снижает прочность, данный недостаток компенсируется добавкой жидкого стекла.

3. В сравнении двух растворов по результатам полевых исследований следует использовать состав № 24, поскольку он позволяет выполнять инъекцию раствора по манжетной технологии с использованием гидравлического пакера в более стабильном режиме с требуемым радиусом распространения гидроразрывов (до 3 м от инъектора) для качественного закрепления пылевато-глинистого грунтового основания.

Читайте также: