ИНЪЕКТИРОВАНИЕ ГРУНТОВ КАК СПОСОБ ГЕОТЕХНИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ ИСКУССТВЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ В УСЛОВИЯХ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗАКАРСТОВАННЫХ ГРУНТОВ

УДК 624.138
ИНЪЕКТИРОВАНИЕ ГРУНТОВ КАК СПОСОБ
ГЕОТЕХНИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ ИСКУССТВЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ В
УСЛОВИЯХ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗАКАРСТОВАННЫХ ГРУНТОВ
Владимиров Валентин Викторович
ФГАОУ ВО «Пермский государственный национальный исследовательский университет»,
аспирант 3 года обучения, г. Пермь
e-mail: [email protected]
Научный руководитель: к.г.-м.н., доцент, Ковалёва Татьяна Геннадьевна
Аннотация: Научная стать представляет собой исследование технологии геотехнической
защиты методом инъектирования грунтов в режиме гидроразрыва. Закрепление закарстованных
грунтов оснований зданий и сооружений является актуальной проблемой в современном
строительной практике. Особенно остро данный вопрос стоит при проектировании искусственных
сооружений на линейных объектах транспортной инфраструктуры, объектов энергетического
комплекса и социально-значимых сооружений, расположенных в пределах закарстованных участков,
где риск образования провалов неприемлемо высок.
Ключевые слова: закрепление грунтов, карст, инъектирование, гидроразрыв, цементация,
здания и сооружения.
SOIL INJECTION AS A METHOD OF GEOTECHICAL PROTECTION
OF ARTIFICIAL STRUCTURES UNDER CONDITIONS OF DISTRIBUTION
OF KARSTED SOILS
Vladimirov Valentin
FSAEI of HE «Perm State National Research University»,
Post-graduate Student, Perm,
e-mail: [email protected]
Research Supervisor: Candidate of Geology and Mineralogy, Reader, Tatiana Kovaleva.
Abstract: The scientific article is a study of geotechnical protection technology using the method of
soil injection in hydraulic fracturing mode. Consolidation of karst soils of the foundations of buildings and
structures is a pressing problem in modern construction practice. This issue is especially acute when
designing artificial structures at linear transport infrastructure facilities, energy complex facilities and
socially significant structures located within karst areas, where the risk of sinkholes is unacceptably high.
Keywords: soil consolidation, karst, injection, hydraulic fracturing, cementation, buildings and
structures.
В настоящее время при проектировании и строительстве линейных объектов транспортной
инфраструктуры, инженеры все чаще сталкиваются с необходимостью решать проблемы возведения
искусственных сооружений на территориях, где имеют большое распространение закарстованные
грунты. Одним из таких объектов является строящаяся в данный момент высокоскоростная
автомобильная дорога М-12 «Москва – Казань – Екатеринбург». Ось трассы проходит по территории
южной часть Пермского края. В зоне распространения карбонатно-сульфатного карста [1]. Для
строительства искусственных сооружений в данных условиях применяется метод инъекционного
закрепления грунтов в режиме гидроразрывов.
Инъекционное закрепление грунтов – это целенаправленное модификация физикомеханических свойств грунтов нагнетанием под давлением различных жидких веществ
(инъекционных растворов) [2,10].
Одними из первых в 1950-х годах закрепление грунтов в режиме гидроразрыва начала
применять французская фирма «Soletanche» [5]. Цементация грунтов в режиме гидроразрыва в
отечественной геотехнической практике часто именуют методом высоконапорной инъекции. В
разное время большой вклад в изучении данной технологии внесли М. Аббуд, В.Н. Бронин, Е.С.
Вознесенская, В.А. Ермолаев, А.И. Осокин, С.В. Татаринов, И.И. Сахаров и др. [4, 6, 7].
Метод цементации инъекций в режиме гидроразрыва основан на инъекционном уплотнении
массива грунта при высоком давлении (до 15 атм), результатом чего являются следующие
модификации:
1. Повышается плотность грунта;
2. Происходит увеличение механических свойств грунтов (повышается модуль деформации,
угол внутреннего трения и сцепление), за счет уплотнения и образования жестких
структурных связей);
3. Увеличивается связность грунтового массива, в виду присутствия в нем неизвлекаемых
инъекторов и прослоев цементного камня [3,4].
Обзор технологии
Технические решения противокарстовых мероприятий с применением метода цементации
инъекцией в режиме гидроразрывов разработаны с учетом указаний, приведенных в документах: СП
22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений» [8] и СП 45.13330.2017 «Земляные сооружения,
основания и фундаменты» [9].
Закрепление закарстованных грунтов и тампонаж карстовых полостей произведен путем
нагнетания цементационного раствора в закарстованную породу и карстовую полость через
погруженные в грунтовый массив инъекторы. Нагнетенный в закарстованные породы
цементационный раствор после твердения придал массиву повышенную прочность и
водонепроницаемость, что способствовало прекращению процесса растворения существующих пород
и образования новых карстовых форм (рис 1.).
Рис. 1 Закрепление трещиноватой толщи карстующихся грунтов до кровли монолитной породы
Работы по закреплению закарстованных грунтов по всей площади фундамента искусственного
сооружения и создание двухрядной завесы из закрепленного инъекционным способом грунта по
периметру выполнялись поэтапно для каждой опоры.
На первом этапе работ вначале производилась двухрядная завеса нижнего горизонта по
периметру фундамента (первая очередь работ). Затем были выполнены работы по закреплению
закарстованных грунтов нижнего горизонта (вторая очередь работ).
На втором этапе работ вначале производилась двухрядная завеса верхнего горизонта по
периметру фундамента (первая очередь работ). Затем были выполнены работы по закреплению
закарстованных грунтов верхнего горизонта (вторая очередь работ) (рис.2).
Рис 2. Разрез при по этапном производстве работ
В результате создания двухрядной завесы по периметру фундамента перекрыты каналы и
крупные трещины в закарстованном грунтовом массиве, ликвидированы условий образования,
развития и проявления карста, обеспечены оптимальные условий для последующего укрепления
карстующихся грунтов.
Двухрядная завеса из закрепленного цементацией грунта, перекрывающая каналы и крупные
трещины в закарстованном грунтовом массиве, создавалась путем нагнетания в закарстованный
грунт цементного раствора через специальные инъекторы (рис 2.) состоящие из труб ø 32×3,2 мм.
Нижняя часть инъекторов имела круглые отверстия в перфорированной части инъекторов. Отверстия
располагаются в четырех направлениях под углом 900. Перфорируемая часть инъектора
соответствует мощности закрепляемой части грунта.
Рис. 2 Конструкция инъектора
Для погружения инъекторов предварительно производилось бурение скважин ø127 мм на
глубину закрепления. Инъекторы погружались в предварительно пробуренные скважины с
креплением обсадными трубами в неустойчивых грунтах.
После этого, через инъекторы производилось поэтапное нагнетание в грунт цементного
раствора со специальными добавками при высоком давлении (до 15 атм).
Для скорейшего затвердевания нагнетаемого в грунт цементного раствора было предусмотрено
применение ускорителя схватывания (хлористого кальция).
Результатом проведенных работ является грунтоцементный массив (в отечественной
литературе также встречается названия грунтобетон и грунтокомпозит).
В сравнении с другими методами геотехнической защиты такие как: струйная цементация (jet
grouting) и цементация буросмесительным способом, технология цементации инъекцией в режиме
гидроразрывов обладает следующими преимуществами:
1. Возможность заполнения и герметизации трещин и карстовых полостей;
2. Улучшении стабильности грунта и уменьшение коэффициента фильтрации;
3. Высокая вариативность и адаптируемость к различным геологическим условия;
4. Стоимость работ и сложность работ значительно ниже, чем при струйной цементации;
5. Широкий диапазон выбора инъекционных материалов.
К недостаткам стоит отнести:
1. Малая глубина проникновения цементного раствора в грунт в отличии от струйной
цементации;
2. Невысока несущая способность модифицированного грунта;
3. Неполное заполнение полостей и трещин в грунте, в виду нарушения технологический
условий.
Выбор между струйной цементацией и инъектированием зависит от целей инженерных работ и
требований к укреплению грунта. При разработке проекта важно учитывать геологические,
грунтовые и геотехические условия местности, требования к улучшенным свойствам грунтов и
главное финансовые возможности.
Литература
1. Водолазская В. П., Тетерин И. П., Кириллов В. А., Лукьянова Л. И. и др. Государственная
геологическая карта Российской Федерации. Масштаб 1: 1 000 000 (третье поколение). Серия
Уральская. Лист О-40 – Пермь. Объяснительная записка. – СПб.: Картографическая фабрика
ВСЕГЕИ, 2015. 497 с.
2. Методические рекомендации по проектированию геотехнических мероприятий инженерной
защиты территории от проявления карстово-суффозионных процессов (Министерство
строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации, Федеральное
автономное учреждение «Федеральный центр нормирования, стандартизации и оценки
соответствия в строительстве». – Москва 2017. – 125 с.
3. Методическое пособие по укреплению грунтов методами струйной цементации, глубинным
перемешивание, инъекции растворами на основе микроцементов, манжетной инъекции в
режиме гидроразрывов (Министерство строительства и жилищно-коммунального хозяйства
Российской Федерации, Федеральное автономное учреждение «Федеральный центр
нормирования, стандартизации и оценки соответствия в строительстве». – Москва, 2020. –
83 с.
4. Вознесенская Е.С., Осокин А.И., Татаринов С.В., Ермолаев В.А. Методика подбора
оптимальных технологических режимов инъекционного упрочнения грунтов в режиме
гидроразрыва // Инженерные изыскания. – 2014. – №8. – С.48-53. 37
5. Заславский Ю.З., Лопухин Е.А., Дружко Е.Б., Качан И.В. Инъекционное упрочнение горных
пород. – М.: Недра, 1984. – 176 с. 52
6. Вознесенская Е.С., Осокин А.И., Татаринов С.В., Ермолаев В.А. Моделирование напряженнодеформированного состояния грунта основания при инъецировании методом гидроразрыва на
примере результатов работ, выполненных по одному из объектов ЗАО «Геострой» // Труды
международной конференции по геотехнике «Геотехнические проблемы мегаполисов». – М,
2010. – т. 5. – С. 1641-1646. 36
7. Бронин В.Н., Сахаров И.И., Аббуд М. Опыт инъекционного закрепления грунтов в основании
зданий и сооружений / Дефекты зданий и 143 сооружений. Усиление строительных
конструкций. Материалы III научно-метод. конф. БИТУ. – СПб., 1999 (33)
8. СП 22.13330.2016. Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП
2.02.01-83*. Москва, Минрегион России, 2016.
9. СП 45.13330.2017 Свод правил. Земляные сооружения, основания и фундаменты.
Актуализированная редакция СНиП 3.02.01-87*. Москва, Минстрой России, 2017.
10. СП 499.1325800.2021. Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от карстовосуффозионных процессов. Правила проектирования. Москва, Минстрой России, 2021.