Геотехническая компания

Применение грунтоцементных колонн некругового сечения для устройства противофильтрационных завес

Малинин П.А. Просветов Д.Н. Струнин П.В.

Применение технологии струйной цементации грунтов, для обеспечения водонепроницаемости конструкций и повышения их противофильтрационных свойств, является одним из наиболее распространённых способов использования грунтоцементных колонн.

Как известно формирование грунтоцементной колонны происходит при одновременном подъеме и вращении монитора с истекающей водоцементной струей. В результате в грунте формируется грунтоцементная колонна кругового сечения. Из колонн кругового сечения конструируют элементы различного технического назначения.

Между тем, в случаях, когда конструируют линейные в плане объекты (ограждение котлованов, вертикальные противофильтрационные завесы), круговая форма является не эффективной с точки зрения расхода цемента и стоимости устройства колонн.

Некоторые буровые установки оборудуются устройством, который позволяет выполнять грунтоцементные колонны некруглого сечения. Особенность применения прибора состоит в том что, он позволяет регулировать скорость вращения монитора. Монитор может проходить часть своей траектории с одной скоростью, а другую часть с другой. Благодаря этому часть секторов окружности формируются проектным диаметром с полноценным расходом цемента, а другая часть в связи с увеличенной скоростью монитора, меньшим диаметром и расходом материалов.

Возможные варианты грунтоцементных колонн некруглого сечения приведены на рисунке 1.

Варианты грунтоцементных колонн неправильной формы

Рисунок 1. Варианты грунтоцементных колонн неправильной формы

Одним их первых объектов, на котором были реализованы грунтоцементные колонны некруглого сечения, является устройство ВПФЗ на объекте: «Подводящий канализационный коллектор к КНС №2 для комплексной застройки территории иловых площадок Люберецкой станции аэрации».

Строительство канализационного коллектора в основном ведется закрытым способом с применением микротоннелепроходческого копмлекса AVN 1200.

Прокладка коллектора осуществляется на участках между стартовыми и приемными котлованами.

Основное крепление котлованов прямоугольной формы выполняется с креплением стенок стальными трубами ∅219х10 мм, устройством поясов из двутавра и распорок из стальных труб ∅219х10мм с деревянной затяжкой толщиной 50 мм. Котлованы круглого сечения разрабатываются в инвентарных креплениях из швеллерных колец и забивной деревянной крепи толщиной 50мм.

В геологическом строении участка строительства на разведанную глубину (до 20,0 м) принимают участие современные четвертичные техногенные, озерно-болотные, аллювиальные; среднечетвертичные флювиогляциальные, а также верхнеюрские отложения.

Современные четвертичные техногенные отложения сложены неуплотненными насыпными грунтами – песками средней крупности, влажными, с гравием и щебнем до 10-15%. Мощность насыпного грунта изменяется от 0,5 м до 4,7 м.

Современные озерно-болотные отложения, залегающие под насыпными

грунтами, представлены торфом чёрным, среднеразложившимся, насыщенным водой мощностью 2,2 м -6,1 м.

Ниже залегают современные аллювиальные отложения, представленные:

— песками мелкими и средней крупности, средней плотности, насыщенными водой;

— суглинками с прослоями песка, насыщенного водой, мягкопластичными;

— супесями с прослоями песка, насыщенного водой, текучей и пластичной консистенций.

Мощность аллювиальных отложений варьирует от 1,6 до 12,7 м.

Современные аллювиальные и озерно-болотные отложения подстилаются среднечетвертичными флювиогляциальными отложениями, представленными:

— песками, средней крупности, средней плотности и плотными, насыщенными водой;

— суглинками, с прослоями песка, насыщенного водой, мягкопластичными.

Максимальная мощность составляет 15,1 м.

Под среднечетвертичными флювиогляциальными и, частично, под современными аллювиальными отложениями, залегают верхнеюрские образования, сложенные глинами, слюдистыми, с остатками фауны, полутвердыми, а также песками мелкими, слюдистыми, плотными, насыщенными водой. Максимально вскрытая мощность верхнеюрских отложений составила 7,8 м.

Гидрогеологические условия характеризуются наличием двух горизонтов подземных вод.

Первый от поверхности горизонт развит повсеместно и вскрыт на глубине 0,50 м – 4,60 м. Водовмещающими породами служат озерно-болотные, а также аллювиальные отложения.

Второй от поверхности (глубина 16,7-17,7 м) водоносный горизонт имеет напорный характер (напора изменяется от 2,7 до 3,4 м).

Отметки днища некоторых котлованов были расположены ниже уровня грунтовых вод и располагались в водонасыщенных аллювиальных песках различной крупности, средней плотности.

В случае невозможности использования строительного водопонижения проектом были предусмотрены грунтоцементные колонны для устройства ВПФЗ.

Проектное решение предполагало устройство свай круглого сечения. Для оптимизации стоимости и снижения ее до сметных расценок было предложено техническое решение по устройству ВПФЗ из грунтоцементных колонн некруглого сечения.

Для подбора режима устройства колонн перед началом массового устройства были выполнены опытные грунтоцементные колонны. Количество форсунок для устройства всех колонн составляло 1 шт., диаметр 4,0 мм.

Опытные колонны были выполнены с различными режимами нагнетания, скоростью вращения и расходом цемента. Параметры режимов нагнетания приведены в таблице 1.

При установке режимов нагнетания диаметр колонн разбивался на сектора. Проектный круглый диаметр соответствует 12 секторам по 30 градусов. У двух других колонн (№2,3) при вращении инструмента нагнетание раствора происходило только на 6 секторах (180 град), далее подача раствора прекращалась.

У еще двух колонн (№4,5) нагнетание раствора, происходило на 8 секторах (240 град), далее подача раствора прекращалась.

Варианты устройства колонн по секторам приведены на рисунке 2.

Схемы устройства колонн по секторам

Рисунок 2. Схемы устройства колонн по секторам

Таблица 1. Параметры режимов нагнетания

№ опытной колонны Тип сечения (Геометрическая форма колонны) Площадь пересечения колонн вплане, м2 Время подъема на 4 см, сек Расход цемента, кг/п.м.
1 Круглая (проектная)

0,25 м2 13,5 800
2,3 6 секторов

0,12 м2 6,8 400
4,5 8 секторов

0,23 м2 8,7 500

Нагнетание раствора происходило в зону расположения котлована.

По результатам опытных работ было проведено вскрытие и откопка оголовков колонн с целью установления фактических диаметров и геометрических форм.

Результаты опытных работ представлены в таблице 2.

Таблица 2. Результаты опытных работ

№ опытной колонны Фотофиксация Результат
1 Тип сечения – круглая. Проектный диаметр — 1200 мм. Фактический диаметр — 1300 мм.
Линейка установлена на оси бурения колонны.
2 Тип сечения – 6 секторов. Проектный диаметр -1200 мм. Фактический диаметр — 1030 мм. Линейка на рисунке расположена на оси бурения колонны.
3 Тип сечения – 6 секторов. Проектный диаметр — 1200 мм. Фактический диаметр — 1100 мм. Линейка на рисунке расположена на оси бурения колонны.
4 Тип сечения – 8 секторов. Проектный диаметр — 1200 мм. Фактический диаметр — 1200 мм. Линейка на рисунке расположена на оси бурения колонны.
5 Тип сечения – 8 секторов. Проектный диаметр — 1200 мм. Фактический диаметр — 1200 мм.
Свая оказалась неправильной формы.

Полученные результаты свидетельствуют о том, возможно получение колонн некруглого сечения. Геометрическая колонн форма близка к цилиндрической, однако относительно оси бурения она смещена в сторону котлована. Это связано с тем, что при большой скорости вращения бурового инструмента получается маленькое время прекращения подачи раствора.

Важным параметром для обеспечения водонепроницаемости ВПФЗ является площадь пересечения колонн. Сопоставимую площадь пересечения с колоннами круглого сечения имеют колонны, выполненные из 6 секторов. При этом расход цемента оказывается меньше в два раза.

Для устройства рабочих колонн ВПФЗ стартовых и приемных котлованов были приняты колонны с режимом нагнетания для 6 секторов.

Технологические параметры для устройства колонн были приняты следующие:

— расход цемента на 1 п.м. колонны — 400 кг;

— расход жидкого стекла – 4 кг/п.м.;

— давление нагнетания цементного раствора — 450 атм.;

— давление сжатого воздуха — 10-15 атм.;

— водоцементное отношение раствора — В:Ц = 1,0;

— количество форсунок – 1 шт.;

— диаметр форсунок – 5,3 мм.

Проектный план и разрез расположения рабочих грунтоцементных колонн приведены на рисунке 2.

План и разрез расположения рабочих грунтоцементных колонн

Рисунок 2. План и разрез расположения рабочих грунтоцементных колонн

Фотография откопанного котлована приведена на рисунке 3.

Котлован разработан до проектной отметки

Рисунок 3. Котлован разработан до проектной отметки