Струйная цементация грунтов и сейсмоакустическая диагностика грунтоцементных массивов
За последние годы струйная цементация, направленная на получение в массиве естественных грунтов локальных грунтоцементных массивов с высокой прочностью, повышенной несущей способностью и низкой водопроницаемостью, все больше применяется в практике подземного и дорожного строительства в России. Актуальность струйной цементации грунтов в Санкт-Петербурге обусловлена наличием слабых текучих грунтов в основаниях зданий, сооружений и дорог, усложнением проектов, необходимостью снижения сроков и последующих затрат на эксплуатацию объектов строительства. Проектные организации Санкт-Петербурга (ОАО Ленметрогипротранс, ГУП Ленгипроинжпроект, ЗАО «Петербург-Дорсервис», ООО НПО «Космос», ОАО КБ ВиПС, ООО «Петер-Гиб») используют струйную цементацию для создания грунтоцементных массивов различного назначения (свай, ограждений, распорных диафрагм). Реализацией проектов по струйной цементации грунтов занимаются ведущие строительные организации Санкт-Петербурга: ЗАО «СМУ11 Метрострой», ООО «Космос СПб», ООО «СТИС», ООО «Геоизол», ООО «Геострой». Однако вместе с положительным опытом внедрения струйной цементации возникли и острые проблемы, приведшие к непониманию и конфликтам между участниками строительства. Одна из основных проблем — контроль качества, под которым автор понимает обеспечение проектных характеристик грунтоцементного массива (размеров, сплошности, прочностных и деформационных свойств грунтоцемента) в естественном залегании. Перед рассмотрением проблемы контроля качества кратко остановимся на сути метода струйной цементации грунтов. Метод струйной цементации грунтов заключается в разрушении и перемешивании грунтов в месте залегания струями цементного раствора с замещением естественного грунта вначале грунтоцементным раствором, а после затвердевания грунтоцементного раствора новым материалом — грунтоцементом (грунтобетоном). При струйной цементации грунтов в подземном пространстве последовательно выполняются две технологические операции: бурение скважины и инъектирование цементного раствора (рис. 1). Затем, уже без вмешательства человека, происходит твердение грунтоцементного раствора с образованием нового искусственного материала — грунтоцемента. Бурение скважины производится вращательным способом с промывкой технической водой. Инъектирование цементного раствора производится при подъеме монитора с вращением. Начальный диаметр струи определяется диаметром насадки монитора и, как правило, находится в пределах 2–4 мм. Давление инъектирования для осадочных грунтов Санкт-Петербурга изменяется в пределах 20–50 МПа и определяется прочностью грунтов и требуемым диаметром грунтоцементной сваи. Причиной конфликтов стало использование в проектах струйной цементации традиционного метода контроля качества скрытых, в основном бетонных, работ в виде колонкового бурения. Как правило, в проектной документации основным способом контроля качества грунтоцементных массивов являлось вращательное колонковое бурение скважин диаметром 112–132 мм c последующим лабораторным испытанием кернов грунтоцемента на одноосное сжатие. Однако не учитывалось, что грунтоцемент значительно менее прочен и однороден по сравнению с бетоном, что в одинарных колонковых снарядах керн не защищен от контакта с вращающейся и вибрирующей керноприемной трубой и подвергается истиранию и дроблению. Поэтому последующие испытания грунтоцемента по методикам ГОСТ 28570-90 и ГОСТ 24452-80 определения прочности и модуля деформации по образцам давали заниженные значения, затем на объектах начинались конфликты между заказчиком и подрядчиком работ. Очевидным выходом из создавшегося положения являлся контроль параметров грунтоцементных массивов в естественном залегании неразрушающими геофизическими методами. Но какие геофизические методы наиболее подходят для исследования грунтоцементных массивов? Автор в 2003–2005 гг. был участником ряда сравнительных экспериментов по использованию различных геофизических методов (сейсмоакустических, электрических, георадарных), которые показали наибольшую эффективность сейсмоакустических скважинных методов. Кроме этого, ранее многочисленными исследованиями было доказано существование зависимости между параметрами упругих волн, прочностными и упругими свойствами материалов [1, 2]. При проникновении на рынок контроля качества не обошлось без удачи, так как автор занимался разработкой аппаратур, которые могли использоваться для контроля состояния грунтоцементных массивов. Впервые технические средства и технологии импульсного межскважинного акустического просвечивания и зондирования массивов горных пород были разработаны Всероссийским НИИ методики и техники разведки (ВИТР, Ленинград) в конце 60-х годов 20 века. Серийно выпускалась аппаратура МАП-1 (1974 г.) и АПИ-1 (1981) [3]. После реорганизации ВИТР работы по созданию технических средств и методов акустического просвечивания и зондирования перешли в ООО «Геодиагностика» (www.arhipov8.narod.ru), где были созданы современные компьютеризированные аппаратурные комплексы АПЗ-1 (для малых глубин до 150 м и поверхностных работ) и МАП-2 (для глубин до 2 тыс. м). Аппаратурные комплексы предназначены для измерения времени распространения, амплитуды и частоты импульса упругих волн в горных породах между излучателем и приемником с целью определения упругих характеристик среды. В состав аппаратурного комплекса АПЗ-1 входят: излучающая установка (генератор импульсов тока, высоковольтный кабель и электроискровой излучатель) и измерительная система (скважинный приемник или вибропреобразователь, усилитель и комплекс программно-аппаратных средств на базе персонального компьютера). Аппаратурный комплекс АПЗ-1 имеет сертификат калибровки средства измерения. Основная относительная погрешность измерения АПЗ-1: времени — +3 %; виброускорения — +10 %; частоты колебаний — +2 %. Скважинные приборы эксплуатируются в наблюдательных скважинах или шпурах диаметром не менее 46 мм. Схемы исследования грунтоцементных массивов методом акустического просвечивания приведена на рис. 2. Вначале выполняется синхронное акустическое просвечивание, при котором излучатель и приемник перемещаются в наблюдательных скважинах с постоянным шагом (рис. 2 а). Межскважинная сейсмотомография (рис. 2 б) предназначена: для детального исследования структуры массива горных пород в межскважинном пространстве, выявления малоконтрастных зон неоднородности (несплошности) в грунтоцементном (ледогрунтовом, бетонном) ограждении. Для контроля сплошности грунтоцементных свай применяется акустический каротаж, при котором излучатель и приемник перемещаются в одной скважине пробуренной по оси сваи. В 2001–2009 гг. в Санкт-Петербурге проведен контроль сплошности десятков ограждений и свай, устроенных способом струйной цементации: тоннеля в створе Токсовской ул. (пос. Мурино), противофильтрационной завесы лотковой части Т4-С комплекса защитных сооружений Санкт-Петербурга от наводнений, грунтоцементных свай на участках ЛОТ1 и ЛОТ6 кольцевой грунтоцементной автодороги, плиты и стены ограждения котлована на площадке строительства 2-й сцены Мариинского театра (см. фото) и др. Во всех случаях результаты исследований совпадали с фактическими данным грунтоцементных массивов, полученными при проходке. Для основных типов ограждений и свай составлены таблицы диагностических признаков состояний, позволяющих на основе сочетания диагностических параметров (скорости упругой волны, акустического спектра, коэффициента затухания и др.) определять состояние объекта (сплошность, неоднородность, наличие дефектов). Основной диагностический параметр — скорость продольной упругой волны. Контроль прочности материала ограждений и свай (бетона, грунтоцемента, ледогрунта) производится на основе градуировочных зависимостей «скорость упругой волны» и «прочность на одноосное сжатие». Применение технологий регламентируется действующими нормативно-техническими документами (СП, ВСН, МУ) на проведение контрольной работы сейсмоакустическим методом, а также МВИ 2520-018-2008 «Методика выполнения измерений ударного ускорения при контроле сплошности бетонных, грунтобетонных и ледогрунтовых свай и массивов методами импульсного акустического зондирования и прозвучивания». В результате отработана комплексная рациональная система контроля показателей грунтоцементных массивов:
Дальность акустического просвечивания (прозвучивания) по рыхлым грунтам (пескам, супесям) составляет не менее 20 м, по скальным грунтам (гранитам) — достигает 150 м. Глубина зондирования по скальным грунтам и бетонам — до 40 м. Разрешающая способность при акустическом просвечивании грунтов — + 0,5 м, при зондировании скальных грунтов и бетонов — + 0,1 м.
а) соответствие прочностных и деформационных характеристик грунтоцементного массива заданным параметрам устанавливается в естественном залегании геофизическим (сейсмоакустическим) методом межскважинного акустического просвечивания;
б) бурение скважин малого диаметра производится для определения интервала залегания грунтоцементных массивов и проведения сейсмоакустических исследований;
в) при необходимости испытания грунтоцемента на прочность и модуль деформации отбор проб производится из скважин большого диаметр или малогабаритными буровыми установками из забоя выработки.
Литература
1. Савич А. И., Коптев В. И., Никитин В. Н., Ященко З. Г. «Сейсмоакустические методы изучения массивов скальных пород». — М.: «Недра», 1969 г.
2. Бергман Л. «Ультразвук и его применение в науке и технике». — М.: Изд-во иностранной литеры, 1957 г.
3. Комаров В. А., Попов А. А., Шатров Б. Б.
и др. «Скважинная рудная геофизика». — Л.: «Недра», 1971 г.
| Автор: Алексей Архипов Дата: 21.10.2010 «Федеральный строительный рынок» № 87 Рубрика: Материалы и технологии |
