Обоснование технологических параметров способа высоконапорной инъекции неустойчивых грунтов с постановкой тампонажного пакера тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Лазебник Александр Юрьевич

• Лазебник Александр Юрьевич
• кандидат наук
• 2026

Оглавление диссертации кандидат наук Лазебник Александр Юрьевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СПОСОБОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ НАПОРНОЙ ИНЪЕКЦИИ ГРУНТОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

1.1 Способы упрочнения неустойчивых грунтов в режиме гидрорасчленения

1.2 Анализ технологических схем и параметров упрочнения неустойчивых грунтов

1.3 Рецептуры и свойства применяемых инъекционных растворов

1.4 Анализ существующих средств герметизации скважин и направлений их совершенствования

1.5 Выводы по главе 1. Цель и задачи исследований

ГЛАВА 2 ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ВЫСОКОНАПОРНОГО СПОСОБА УПРОЧНЕНИЯ ГРУНТОВ С ПОСТАНОВКОЙ ТАМПОНАЖНОГО ПАКЕРА

2.1 Аналитические исследования параметров тампонажного пакера и высоконапорной инъекции дисперсных грунтов

2.2 Исследование оптимальных технологических параметров тампонажного пакера при высоконапорной инъекции дисперсных грунтов

2.3 Обоснование технологических схем высоконапорной инъекции с применением тампонажного пакера

2.4 Выводы по главе

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ И ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВЫСОКОНАПОРНОГО УПРОЧНЕНИЯ ГРУНТОВ С ПОСТАНОВКОЙ ТАМПОНАЖНОГО ПАКЕРА

3.1 Анализ свойств и эффективности применения инъекционных

растворов

3.2 Исследования напряженно-деформированного состояния дисперсных грунтов в процессе инъектирования вязкопластичных растворов

3.3 Натурные исследования параметров и закономерностей инъекционного упрочнения грунтов с постановкой тампонажного пакера

3.4 Анализ результатов исследований

Выводы по главе

ГЛАВА 4 МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ РАБОТЫ УПРОЧНЕНИЯ ГРУНТОВ С ПОСТАНОВКОЙ ТАМПОНАЖНОГО ПАКЕРА

4.1 Методика проектирования параметров высоконапорной инъекции дисперсных грунтов с постановкой тампонажного пакера

4.2 Технологическая схема упрочнения оснований фундаментов высоконапорной инъекцией с использованием тампонажного пакер

4.3 Опытно-промышленные работы упрочнения грунтов на промышленных и гражданских объектах

4.4 Анализ эффективности применения способа высоконапорной инъекции грунтов с гидроразрывом и использованием тампонажного пакера

4.5 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А (справочное) Сведения о внедрении

Приложение Б (справочное) Пакерующие устройства

Приложение В (справочное) Методика проектирования искусственных оснований

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование технологических параметров способа высоконапорной инъекции неустойчивых грунтов с постановкой тампонажного пакера»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. За последние годы наблюдается неуклонное увеличение объема строительства в сложных инженерно-геологических условиях, обусловленных наличием специфических неустойчивых, обводненных дисперсных грунтов, техногенноослабленных зон в грунтовом массиве, изменяющимся уровнем подземных вод и т.д. Известно, что до 70 % отказов строительных конструкций и наступлений аварийных ситуаций на объектах промышленного и гражданского назначения связано с состоянием оснований и фундаментов. Наиболее эффективным способом упрочнения грунтов в таких условиях является высоконапорная инъекция с гидрорасчленением сплошности грунтов.

С помощью высоконапорного инъектирования можно решать разные геотехнические задачи: усиливать грунтовое основание аварийных и реконструируемых зданий; уплотнять насыпные и лессовые просадочные грунты; закреплять грунтовое основание для повышения устойчивости откосов; выполнять инженерную подготовку под новое строительство; создавать противофильтрационные завесы, геотехнические барьеры и пр.

Усиление высоконапорным инъектированием вязко-пластичного раствора приводит к нарушению сплошности массива в виде расчлененных разрывов с последующим их заполнением инъекционным материалом. В результате структурирования раствора формируются армированные цементным раствором объемные каркасы с высокими физико-механическими характеристиками. Однако, надежность усиления высоконапорной инъекцией достигается путем увеличения количества инъекционных скважин и объема укрепляющего раствора, что приводит к удорожанию строительно-монтажных работ, увеличению трудозатрат и сроков строительства. Поэтому совершенствование технологии высоконапорной инъекции закрепления грунтов оснований зданий и сооружений с использованием новых герметизирующих устройств обеспечит снижение затрат,

трудоемкости и продолжительности работ, позволит повысить качество закрепления грунтов и является актуальной научно-практической задачей.

Степень разработанности темы исследований. При упрочнении неустойчивых обводненных дисперсных грунтов в основаниях строящихся и реконструируемых зданий и сооружений, в основном применяется манжетная технология высоконапорной инъекции с использованием механических или гидравлических пакерующих устройств.

Методы высоконапорной инъекции с использованием манжетной колонны для создания армоцементного каркаса в массиве нашли применение при решении широкого круга геотехнических задач. Теоретическим и практическим исследованиям таких задач посвящены работы Абелева М. Ю., Адамовича А. А. Акопяна В. Ф., Богова С. Г., Богомолова В. А. Волкова Ф. Е., Галай Б. Ф., Головко С. И., Далматова Б. И., Должикова П. Н., Ермолаева В. А., Заславского Ю. З., Збицкой В. В., Ибрагимова Ю. Г., Кипко Э. Я., Коновалова П. А., Кузнецова М. В., Лушникова В. В., Малинина А. Г.,

Нуждина М. Л., Полищука А. И., Полозова Ю. А., Прокопова А. Ю., Пронского Д. В., Пономарева А. Б., Рябичева В. Д., Сахарова И. И., Сергеева В. И., Сорочана Е. А., Ухова С. Б., Швец В. Б. и мн. др.

Технология напорной инъекции с использованием тампонажного пакера разрабатывалась и использовалась на ряде объектов, выполненных силами НПО «Спецтампонажгеология», ООО «Спецпредприятие по тампонажным и геологоразведочным работам», ООО «Геотехника», ООО «Геоспецстрой» и др.

Цель работы - обоснование технологических параметров высоконапорной инъекции неустойчивых грунтов вязко-пластичными растворами с постановкой тампонажного пакера.

Идея работы заключается в формировании в затрубном пространстве инъекционной скважины тампонажного пакера для повышения давления инъекции раствора и достижения высокой эффективности гидроразрыва и упрочнения грунтов.

Объект исследования - процесс инъектирования неустойчивых песчано-глинистых грунтов в режиме гидроразрыва и с постановкой тампонажного пакера.

Предмет исследования - конструктивные и технологические параметры тампонажного пакера и высоконапорной инъекции вязко-пластичного раствора в неустойчивые обводненные грунты, закономерности изменения напряженно -деформированного состояния упрочняемых грунтов.

Научная новизна результатов исследования заключается в следующем:

- обоснована линейная многофакторная зависимость длины тампонажного пакера от зазора в скважине, давления гидроразрыва, сцепления грунтов и глубины скважины;

- установлены закономерности распределения напряжений и деформаций в разуплотненных обводненных грунтах до и после высоконапорной инъекции вязко-пластичного раствора в режиме гидроразрыва с использованием структурированного тампонажного пакера;

- для неустойчивых песчано-глинистых грунтов впервые получены зависимости радиуса инъекции вязко-пластичного раствора от глубины и давления гидроразрыва в контролируемом режиме формирования армоцементной системы;

- усовершенствована методика расчетов технологических параметров высоконапорной цементации с гидроразрывом грунтов и использованием тампонажного пакера.

Теоретическое и практическое значение работы.

Установлены новые эмпирио-аналитические зависимости для расчета технологических параметров тампонажного пакера и процесса инъекции вязко -пластичного раствора в грунт, закономерности распределения напряженно-деформированного состояния грунтов при высоконапорной инъекции вязко-пластичных растворов с постановкой тампонажного пакера, что позволило усовершенствовать методику проектирования и технологическую схему и повысить эффективность упрочнения неустойчивых грунтов и имеет важное

значение для строительства при возведении и эксплуатации объектов в сложных инженерно-геологических условиях.

Методы научного исследования. В работе принят комплексный метод исследований параметров тампонажного пакера и напряженно-деформированного состояния упрочняемых грунтов: анализ литературных источников,аналитические исследования факторов влияния на длину пакера, лабораторные исследования по подбору оптимальных рецептур растворов, компьютерное моделирования напряженно-деформированного грунта до и после упрочнения при инъекции вязко-пластичного раствора в режиме гидроразрыва с постановкой тампонажного пакера, натурные исследования технологических параметров инъектирования грунтов, статистический анализ результатов исследования, выполнение опытно-промышленных работ.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Повышение эффективности высоконапорного закрепления неустойчивых обводненных грунтов в инъекционной скважине обеспечивает постановка тампонажного пакера, формируемого при подъеме вязко-пластичного тампонажного раствора в затрубном пространстве на расчетную высоту (1-35 м), которая линейно зависит от зазора в скважине, глубины, свойств грунтов и давления раствора.

2. При высоконапорной инъекции в разуплотненный обводненный грунт вязко-пластичных растворов с постановкой тампонажного пакера изменяется напряженно-деформированное состояние грунта, при этом значение эквивалентных напряжений уменьшается на 45-87 %, смещение грунта стабилизируется и осадка не превышает 1-2 мм, коэффициент фильтрации снижается до 10-9 м/с, что обеспечивает эффективность технологического процесса упрочнения грунта.

3. При гидрорасчленении песчано-глинистых обводненных грунтов в процессе нагнетания вязко-пластичного тампонажного раствора под давлением 2,5-4,5 МПа радиус инъекции достигает 1,5-2,0 м и линейно зависит от глубины скважины и давления гидроразрыва, а прочность грунта составляет 5,0-8,0 МПа,

что позволяет в контролируемом режиме целенаправленно формировать армоцементный каркас в грунте.

Область исследованиясоответствует требованиям п. п. 3 и 4 паспорта научной специальности 2.8.6. Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная газоаэродинамика и горная теплофизика.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты диссертационной работы - методика проектирования и технология высоконапорной инъекции грунтов с постановкой тампонажного пакера изучены и приняты для реализации на объектах строительства ООО «Спецпредприятие по геологоразведочным и тампонажным работам», ООО «Геотехника», ООО «Геоспецстрой» и используются в учебном процессе при подготовке студентов Антрацитовского института геосистем и технологий (филиал) ФГБОУВО «ЛГУ им. В. Даля».

Обоснованность и достоверность научных результатов и практических рекомендаций подтверждается корректной подстановкой задач исследования, использованием классических законов геомеханики и подземной гидродинамики, представительным объемом лабораторных и натурных исследований растворов и технологических параметров высоконапорной инъекции грунтов, применением корреляционно-регрессионного анализа, удовлетворительной сходимостью параметров математических моделей с результатами натурных исследований при относительной погрешности не более 8-16 %.

Апробация результатов диссертации. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительное одобрение на следующих научно-технических мероприятиях: семинарах кафедры «Строительства и геоконтроля» АИГиТ ЛГУ им. В. Даля в 2021-2025 г.г.; международных научно-технических конференциях: 7-я международная научно-практическая конференция «Инновационные перспективы Донбасса» (г. Донецк, 2021 г.); II международный форум студентов, аспирантов и молодых ученых-горняков «Проблемы горного дела», (г. Донецк, 2021 г.); международной научно-практической конференции «Каспий и глобальные

вызовы» (г. Астрахань, 2022 г.); Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Строительство и техносферная безопасность», (г. Антрацит, 2024 г.); научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Актуальные проблемы урбанизированных территорий Донбасса:» (г. Луганск: 2024 г.); IX международная научно-техническая конференция «Пути совершенствования технологических процессов и оборудования промышленного производства» (г. Алчевск, 2025 г.)

Личный вклад соискателя заключается в формулировании цели и основных задач исследований, научной новизны и научных положений работы, в сборе, обработке и анализе литературной информации в области геомеханики процессов закрепления неустойчивых грунтов, в выполнении аналитических и лабораторных исследований, участии в натурных исследованиях и разработке методики проектирования параметров высоконапорной инъекции грунтов с постановкой тампонажного пакера, участии в выполнении опытно-промышленных работ.

Публикации. Основные научные результаты диссертационной работы опубликованы в 15 печатных работах, в том числе 5 работ в рецензируемых научных изданиях ВАК РФ, 10 в материалах конференций и научных сборниках.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, общих выводов, списка литературы, включающего 121 наименования, и 3 приложений. Работа содержит 54 рисунков, 46 таблиц, 74 формулы и 140 страниц машинописного текста. Общий объем диссертации составляет 187 страницы.

Автор выражает глубокую благодарность за оказанную помощь при подготовке диссертационной работы научному руководителю д.т.н., профессору Должикову П.Н., д.т.н., профессору Полозову Ю.А., заведующему кафедрой строительства и геоконтроля АИГиТ (филиал) ФГБОУ «ЛГУ имени В. Даля» к.т.н. Савченко И.В. , и всем сотрудникам кафедры строительства и геоконтроля АИГиТ ФГБОУ «ЛГУ имени В.Даля».

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СПОСОБОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ НАПОРНОЙ ИНЪЕКЦИИ ГРУНТОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

1.1 Способы упрочнения неустойчивых грунтов в режиме гидрорасчленения

Для повышения несущей способности слабых грунтов и уменьшения их деформации существуют различные способы искусственного закрепления грунтов [1-6]. Эти способы условно можно разделить на три группы:

физико-химические - укрепление массива грунта при помощи воздействия физических полей или улучшение характеристик грунтов, при помощи нагнетания в их толщу специальных растворов;

механические - улучшения основаны на принципе повышения плотности грунтов под воздействием различных способов динамического воздействия без введения в грунт новых компонентов или конструкций;

конструктивные - предполагают устройство грунтовых подушек и армирование готовыми элементами из различных материалов, которые обладают большой прочностью на растяжение [7].

Классификация применяемых в настоящее время методов закрепления и усиления грунтов приведена в таблице. 1.1 [8].

Сравнительная характеристика методов усиления и закрепления грунтов приведена в таблице 1.2 [8].

При анализе систематизированных данных, приведенных в таблицах № 1.1 и № 1.2 по методам закрепления, области их применения и сравнительной характеристик, сделан вывод, что инъекционная цементация, струйная цементация, подземное смешивание грунтов и конструктивные элементы (сваи, анкера, каркасы) являются наиболее универсальными методами закрепления грунтов. Эффективность выделенных методов подтверждена многолетней практикой [8].

Таблица 1.1 - Методы закрепления и усиления грунтов

Методы закрепления и усиления грунтов

Физическо - химические Механические Конструктивные

Термическое: Силикатизация: Уплотнение: Набивными сваями

- горячим воздухом - однорастворная Пригрузка бетоном Грунтовые сваи

-сжигаемым - двухрастворная Вибрирование: Фундаменты с уширением

топливом

Замораживание: - газовая - поверхностное Плитные фундаменты

-естественное Использование энзимов - глубинное Грунтовые подушки

- искусственное Смолизация Трамбование: Геосинтетика:

-глубинное Струйная цементация: - механическое - геотекстиль

- поверхностное - однокомпонентная - ручное - георешетка

Электроосмос - двухкомпонентная Взрывы: -геоматрица

Замачивание - трехкомпонентная - подводные - фибронаполнитель

Подземное смешивание - глубинные Ограждающие сооружения

Инъекционная

цементация

Битумизация.

Глинизация

Известкование

Комбинированные методы закрепления грунтов

Взрыво-инъекционный способ

Инъекционный способ закрепления комплексным методом

тампонажа

Силикатно-цементно-хлоркальциевой

инъекционной технологии (СЦХК

технология)

Струйная цементация с замораживанием

грунтов

Подземное смешивание грунтов с вибрированием и фибронаполнением

Электрохимическое закрепление грунтов

Инъекционная цементация в комплексе со сваями различной типологии

Резонансно-импульсная напорная

цементация

Высоконапорная цементация с

гидроразрывом и тампонажным пакером

На рисунке 1.1 показана зависимость между инженерно-геологическими факторами и задачами инъекционного закрепления.

Таблица 1.2 - Сравнительная характеристика методов усиления грунтов

№ п. п Ме тод Разновидность Преимущества Недостатки

1 Термическое Ограниченность воздействия Высокие температуры

2 ы В Замораживание Для любых водоносных грунтов, на любой глубине Небольшая продолжительность сохранения эффекта

3 « и ы Электроосмос Наиболее подходящий метод для водонасыщенных грунтов Необходимость периодической смены полярности

4 м В © Замачивание Простота технологии Высокие сроки работ, снижение прочности грунт

5 Водопонижение Водопонижение глубиной от 4,5 до 22 м. Быстрота действия Невозможно ведение работ при залегании водоупора

6 Силикатизация Надежность, долговечность при сухих средах, экономично Ограничение во влажности грунта

7 Смолизация Высокая прочность, быстрый набор прочности Выделение смолами токсичного формальдегида

8 Глинизация Трещиноватые водоносные породы Только гидроизоляция трещин

9 ы В « и ы V Известкование Целесообразно при строительстве дорог Ограничение в применении

10 Битумизация Возможность применения грунтов с агрессивными водами Сложное оборудование, повышенные меры ТБ

11 В £ В X Струйная цементация Высокая скорость, работа в стесненных условиях, гибкость Дорогостоящее оборудование, только при новом строительстве

12 Напорная цементация Закрепление грунтов в любых условиях Ограничение в связи с поднятием земной поверхности

13 Комплексный ме тод тампонажа Эффективна для водоизоляции трещиноватых пород Для скальных и раздробленных пород

14 Подземное смешивание грунтов Высокая производительность глубиной до 70 м. Специальное оборудование

15 Уплотнение: Отсутствие потребности в Ограничение по глубине

16 1 - Пригрузка бетоном специальной механизации, возможность ускорения Наличие свободных площадей

17 МЕХАН] СКИЕ - Вибрирование вторичной осадки, небольшая Ограничение по глубине

18 - Трамбование стоимость Ограничение по глубине

19 - Взрывы Узкая специализация Ограничения по ТБ и ОТ

20 ы -0 В Сваи всех типов Экономия материалов. Возможность производства работ вблизи зданий Невозможно контролировать монолитность и плотность бетона

21 со В н ьг Анкера Простота технологии Только для вертикальных и наклонных стен

22 ^ & и Плитные фундаменты Увеличение несущей способности фундаментов Сложность работ для эксплуатируемых зданий

23 В о Грунтоподушки Простота технологии Ограничения по глубине

24 Геосистемы Простота производства работ. Работа в стесненных условиях Сложность обращении с некоторыми материалами

Рисунок 1.1 - Зависимость между инженерно-геологическими факторами и задачами инъекционного закрепления

При сравнительном анализе показателей прочности образцов грунта, закрепленного различными методами, выделены наиболее целесообразные методы закрепления и область эффективности данных показателей (рис. 1.2).

Рисунок 1.2 - Показатели прочности трех видов грунтов, закрепленных

рассматриваемыми методами

По результатам анализа установлено, что высоконапорная инъекция песчано-глинистых грунтов обеспечивает прочность 3-10 МПа и имеет промышленные перспективы.

1.2 Анализ технологических схем и параметров упрочнения неустойчивых грунтов

Усиление грунтов оснований фундаментов методом нагнетания растворов -это метод искусственного упрочнения грунтов, широко применяемый в геотехническом строительстве для повышения их несущей способности, снижения водопроницаемости и обеспечения структурной устойчивости. Особенно актуальна технология напорной цементации для слабосвязных неустойчивых и водонасыщенных дисперсных грунтов.

Существует несколько основных технологических схем цементации, выбор которых зависит от вида грунта, целей упрочнения и условий проведения работ [9, 10, 11, 12]:

I технологическая схема - традиционная (инъекционная) цементация, базирующая на усилении грунтового основания через предварительно пробуренные скважины для инъекции цементного раствора под давлением с целью заполнения порового пространства, трещин и пустот в грунте.

Традиционная цементация базируется на нагнетании цементного раствора в следующих режимах:

- безнапорная инъекция (пропитка грунтового массива);

- инъекция в режиме уплотнения (заполнение в напорном режиме без нарушения его сплошности пор, каналов, трещин);

- инъекция в режиме гидрорасчленения грунта на искусственные каналы и полости.

В грунт через инъекторы, в предварительно пробуренных скважинах, нагнетается под давлением цементный раствор. Раствор заполняет поры, трещины и пустоты в грунте, а после затвердевания образует отдельные зонные элементы

закрепленного грунта и монолитные искусственные цементные, который связывает частицы грунта.

Такая технология эффективна для дисперсных грунтов, трещиноватых скальных пород, а также для заполнения техногенных и карстовых полостей.

Технологические этапы I технологической схемы включают: бурение скважин, установку инъекторов (или перфорированных труб), приготовление и нагнетание цементного раствора.

Анализ материалов выполненных научных исследований и практического опыта в строительстве показал, что распространенной технологией укрепления дисперсных грунтов является высоконапорная цементация через манжетные колонны с гидроразрывом грунтов [4, 5, 9, 12].

Типовая конструкция скважины с манжетной колонной приведена на рисунке 1.3.

I • г

1 - труба металлическая, 2 - отверстие, 3 - резиновый манжет, 4 - обойма, 5 - пакерующее устройство

Рисунок 1.3 - Скважина инъекционная с установленной манжетной

колонной [12]

Технология инъекции в грунт цементных растворов с использованием манжетных колонн с пакерующими механическими устройствами обеспечивает получение нормируемых показателей закрепления через отверстия, расположенные с интервалом 0,30 - 0,50 м. При снижении расстояния между

отверстиями менее 0,25 м обеспечивает распространение раствора радиусом до 0,3 м [12].

Существенными недостатками технологии высоконапорной цементации с использованием манжетной колонны являются:

- оставленные в скважинах зацементированные манжетные колонны;

- увеличение продолжительности технологических процессов на ожидание затвердевания цементного камня в затрубном пространстве;

- дополнительные спуско-подъемные операции по установке/снятию пакера;

- формирование оптимального радиуса распространения укрепляющего раствора из отдельной скважины ограничено интервалом 0,33-0,5 м.

II технологическая схема - струйная цементация (Jet Grouting) [13].

Это наиболее современный и распространенный метод. В грунт под очень высоким давлением (до 40-50 МПа) нагнетается цементный раствор, который разрушает структуру грунта и одновременно перемешивает его частицы с цементом. В результате образуются грунтоцементные элементы (сваи) с высокими прочностными и противофильтрационными характеристиками.

Разновидностями струйной цементации являются следующие [13].

Однокомпонентная (Jet 1): грунт разрушается и перемешивается только струей цементного раствора. Двухкомпонентная (Jet 2): для усиления разрушающего действия струи и увеличения диаметра свай используется дополнительно сжатый воздух или вода. Трехкомпонентная (Jet 3): комбинирует воду, воздух и цементный раствор для достижения максимального эффекта.

Применение струйной цементации очень эффективно при новом строительстве для закрепления слабых, обводненных дисперсных грунтов (песков, глин, супесей, суглинков), сооружения противофильтрационных завес, усиления фундаментов, ограждений котлованов [13].

Технологическая схема струйной цементации предусматривает следующие этапы: бурение лидерных скважин, опускание струйного монитора, подача цементного раствора (и, при необходимости, воздуха/воды) под высоким

давлением с одновременным подъемом и вращением колонны, формирование грунтоцементного элемента.

III технологическая схема -метод глубокого смешивания (DSM - Deep Soil Mixing) [14].

Принцип III-й технологической схемы основан на смешивании цементного раствора (или сухого цемента) с грунтом непосредственно на месте с помощью специальных буросмесительных установок (например, методом «мокрого» или «сухого» смещивания).

Для укрепления грунтов разной текстуры и свойств, позволяет достичь равномерного распределения цемента. Часто используется для создания цементо-грунтовых оснований [13, 14, 15].

При инъектировании грунтовых оснований возникает необходимость оптимизации технических параметров процесса. В данном случае под оптимальными понимаются такие параметры, которые при известных заранее свойствах грунта, глубине инъектирования и технических возможностях оборудования позволили бы минимизировать время инъектирования, трудовые затраты, (например, сократить чисто скважин), и как результат, уменьшить стоимость работ.

Под техническими параметрами рассматриваются:

- диаметр скважин;

- длина участка скважин, на котором выполняется инъектирование;

- давление, при котором производится инъектирование;

- давление гидроразрыва грунта;

- время инъектирования;

- вязкость раствора, которым производится инъектирование (эта характеристика тесно связана с коэффициентом фильтрации Кф и, как следствие, с коэффициентом пространственной консолидации С);

- радиус и глубина проникновения инъектирующего раствора;

- шаг расстановки скважин, через которые нагнетается укрепляющий раствор (этот технический параметр тесно связан с радиусом проникновения раствора в грунт).

При выполнении теоретических исследований мною преследовалась цель увязать вышеперечисленные технические параметры с напряженно -деформированным состоянием грунта и таким образом определить величины гидроразрыва грунтового массива в заданных интервалах, радиус и глубину проникновения раствора, которым производится закрепление грунта, а также определить параметры постановки тампонажного пакера.

Для практической реализации предложенного способа укрепления грунтов оснований фундаментов в режиме их гидроразрыва с использованием тампонажного пакера важным вопросом является инженерное обоснование их параметров, включающие следующие этапы [16-18].

1. Инженерно-геологические и гидрогеологические исследования грунтов [19-21], включающие:

- информацию о напластованиях грунтов с указанием инженерно -геологических элементов (далее - ИГЭ) с отметками кровли и подошвы, расположения в плане, разрезов;

- свойства ИГЭ: тип грунта, плотность, консистенция (для связных грунтов), наличие органических веществ в процентном отношении, гранулометрический состав (для песков), коэффициент фильтрации (для песков);

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Лазебник Александр Юрьевич, 2026 год

- - я

10 11 12 13 14 15 16 Давление ■ скважине, 0.1 МПа

17

18

19

20

21

22

Величины диаметра скважины и диаметрагладкоствольной колонны, м 1» 0.059/0.042 2 • 0.059/0.054 3 • 0,059/0,034

Рисунок 3.22 -Зависимости длины тампонажного пакера от давления в

скважине

По полученным данным получены линейные зависимости длины тампонажного пакера от давления в скважине соответсвенно равны Ь} = 0.290Рр , Ь2 =0.197 Рр, Ь3 = 0.058Рр.

Величины распространения укрепляющего раствора вокруг скважины в зависимости от давления гидроразрыва для супесей, суглинков и песков приведены на рис. 3.23.

б)

К 7.

63 -г я 2

1.8 1.6

14

а «0.8

В м

06

и в

£-е04

я

Он а. .

4 i

1

•

3

^^ / Щ 4

ж »р

1 1 > 1 -1 1—— -*

О 0.5 1 1.5

2.5

3.5 4 45 5 5.5 6

Давление гпдроразрыва. ЛШа —Супесь —•—, Суглинок

* 1 Слтлпнок лессовплнып

а) от глубины скважины; б) от давления гидроразрыва Рисунок 3.23 - Величины распространения инъекционного раствора вокруг скважины в зависимости от глубины скважины и давления гидроразрыва

По экспериментальным данным получены регрессионные линейные зависимости длины трещин гидроразрыва от глубин инъекционных скважин (в интервале от 2,0 до 30,0 м) для грунтов: - супесь:

Я. = 0,032 • Н - 0,028, Я2 = 0,975

суглинок лессовидный:

Я = 0,042 • Н - 0,053, Я = 0,995

(3.1)

(3.2)

- суглинок:

Яс = 0,061 • Н - 0,023, Я2 = 0,986 (3.3)

Получены регрессионные зависимости величин радиусов распространения инъекционного раствора в трещинах гидроразрыва от давления гидроразрыва для дисперсных грунтов (в интервале 0,25-6,0 МПа):

- супесь:

Яс=0,36-Рр+0,002, м

Я2 = 0.990

(3.4)

суглинок лессовидный:

Яс= 0,67• Р -0,056, м Я2=0.997 (3.5)

- суглинок:

Я = 0,7-Рр+0,077, м Я2 = 0.996 (3.6)

Определяющим фактором при укреплении грунтов с помощью гидравлического разрыва, является глубина их залегания. Условно по глубине можно выделить следующие интервалы зон закрепления грунтов:

I. Интервал 2,0 - 3,0 м; давление гидроразрыва не позволяет создать радиус распространения укрепляющего раствора более 0,2 м; требуется дополнительно сооружение пригруза; преобладают вертикальные трещины гидроразрыва;

II. Интервал 3,0 - 7,0 м; радиус распространения тампонажного раствора не более 0,3 - 0,4 м; рекомендуется использование пригруза на поверхности;

III. Интервал 7,0 - 15,0 м; радиус распространения раствора до 0,7-1,0 м;

IV. Интервал свыше 15,0 м; радиус распространения раствора может быть свыше 1,5 м.

Для I и II зон преобладающими являются вертикальные трещины гидроразрыва, которые образуют с помощью таких герметизирующих устройств как: обсадные колонны, забивные инъектора, перфорированные манжетные трубы, щелевые инъектора.

Для III и IV зон образование направленных трещин гидроразрыва зависит от типа применяемого герметизирующего устройства. Для создания вертикальных и горизонтальных трещин используют гладкоствольные колонны по технологии с «тампонажным пакером».

Усредненное значение снижения пористости грунта в процессе укрепления массива составит 0,08-0,1 дол. ед. Фактически необходимо в массиве равномерно распределить трещины раскрытием не менее 0,01 м в количестве не менее 6 - 8 штук на 1 п.м. закрепляемого грунта.

По результатам контрольного бурения на натурных исследованиях полученная прочность закрепленных грунтов = от 5,0 до 8,0 МПа.

3.4 Анализ результатов исследований

Проведенные аналитические исследования показали, что длина тампонажного пакера зависит от четырех основных факторов, приведенных в формуле (3.7):

К = 1 (/№)+/(и)+/(С)+/(Рр)) = 1 (а, -М + Ъ1 • Н + (о1 • С + 0.199)+р1 • Рр) (3.7)

где Ь - длина тампонажного пакера, м;

Рр- давление нагнетания тампонажного раствора, МПа;

Ай- величина зазора между гладкоствольной колонной и стенками инъекционной скважины, м;

Н- нижняя граница зоны закрепления грунта, м;

С - сцепление грунта, кПа

аI, Ь, о, ^-параметры, определяемые по таблице 2.6.

В расчетах каждой из этих величин допушены систематические погрешности измерительных приборов и случайные ошибки.

Технологические параметры тампонажного пакера и трещин гидрорасчленения, полученных в результате аналитических исследований, компьтерного моделирования и натурных исследований приведены в таблице 3.15.

Комплексный сравнительный анализ результатов технологических параметров позволяет выявить следующие закономерности.

Применение гладкоствольной колонны в качестве тампонажного пакера позволяет при оборудовании забойной коронки дополнительной насадкой (или насадками) прорезать направленные вертикальные щели для создания искусственных трещин. При подъеме колонны на заданную высоту (0,1 - 0,2 м) происходит процесс «нарезки» вертикальных трещин (рисунок 3.24).

В зависимости от мощности залегания различных слоев, можно гарантированно производить гидроразрыв буферной жидкостью (промывочная

жидкость или вода) направленных трещин в массиве с их последующим заполнением укрепляющим раствором [118].

Таблица 3.15 - Сводные данные технологических параметров гидроразрыва

№ п.п. Грунты Интервал закрепления, м Тип тампонажного пакера Давление гидроразрыва, МПа Длина тампонажного пакера, м Величина погрешности, %

Аналитические расчеты Компьютерное моделирование Натурные исследования Аналитические расчеты Компьютерное моделирование Натурные исследования

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

1 Пески среднезернистые 12 ТП 0,2-0,4 0,34 0,85 -1,25 6,9 7,8 8,0 14

2 Супесь пластичная 29-37 ТП 0,3-0,5 - 2,0 -4,0 7,2 7,9 8,2 13

3 Суглинки просадочные 17-24 ТП 0,5-4,0 - 0,25 -1,3 8,1 8,4 8,7 8

4 Суглинки твердые 10-13 ТП 0,5-6,0 - 1,0 - 2,0 9,0 9,2 9,4 6

5 Глина твердая 12-15 ТП 3,0-4,0 - - 10,0 10,8 11,1 9

сЪ

Вертикаль ная

Рисунок 3.24. Схема формирования вертикальных щелей для создания

трещин гидроразрыва [118]

Для создания горизонтальных направленных щелей, необходимо выполнить вращение гладкоствольной колонны для образования сферической щели (рис. 3.25).

Учитывая горнотехнические и горно-геологические факторы, влияющие на образование вертикальных, наклонных и горизонтальных трещин, при проведении работ целесообразно использовать комбинации герметизирующих

устройств для напорной инъекции различных типов грунтов с целью создания в нем эффективных армоцементных каркасов.

Рисунок 3.25 - Схема формирования горизонтальных трещин разрыва

грунтового массива

Выполненные исследования позволили сделать следующие выводы.

Анализ результатов натурных исследований по закреплению неустойчивых грунтов показал, что для глубин 2,0-30,0 м существует прямая зависимость давлений гидроразрыва грунтов и распространения раствора для трех видов грунтов.

Наиболее эффективной с точки зрения технологии является использование гладкоствольной колонны с элементами дополнительных насадок на буровой коронке для «зарезки искусственных щелей» и «тампонажного пакера» в виде стабилизированного раствора в зазоре между гладкоствольной колонной и стенками скважины.

3.5 Выводы по главе 3

1. На основании лабораторных исследований инъекционных растворов по растекаемости, водоотдаче, прочности на сжатие и растяжение, оптимизированы рецептуры цементных и глиноцементных растворов для постановки пакера и высоконапорной инъекции грунта.

2. Компьютерным моделированием методом конечных элементов по теории прочности Кулона-Мора установлена закономерность изменения напряженно-деформированного состояния упрочненного грунта в основании фундаментов: эквивалентные напряжения снижены на 32-87 %, осадки снижены на 32 %, а

критерий интенсификации геомеханических процессов уменьшается от 1,0* 10- до 3,6 *10-4, что свидетельствует о стабилизации деформационных процессов.

3. В условиях активной фильтрации подземных вод в упрочняемых грунтах максимальные значения эквивалентных напряжений локализованных вокруг зоны фильтрации, а инъектирование глиноцементного раствора в разуплотненную зону снижают эквивалентные напряжения на 45-82 %, коэффициент фильтрации уменьшается до10-9 м/с.

4. Проведенные натурные исследования при высоконапорной инъекции вязко-пластичных растворов в различных инженерно-геологических условиях на 8 объектах позволили установить эмпирическую зависимость длины тампонажного пакера и радиуса инъекции от давления нагнетания для трех видов грунтов.

5. Анализ результатов аналитических, компьютерных и натурных исследований в различных видах грунтов при высоконапорной инъекции вязко -пластичного раствора с постановкой тампонажного пакера показал погрешность определения технологических параметров 6-14 %.

6. Анализ технологических параметров высоконапорной инъекции грунтов и результатов контрольного бурения позволил установить пространственную ориентацию трещин армоцементного каркаса в зависимости от величины подъема колонны.

ГЛАВА 4 МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ РАБОТЫ УПРОЧНЕНИЯ ГРУНТОВ С ПОСТАНОВКОЙ ТАМПОНАЖНОГО ПАКЕРА

4.1 Методика проектирования параметров высоконапорной инъекции дисперсных грунтов с постановкой тампонажного пакера

Высоконапорная цементация по гидроразрывной технологии применяется для укрепления грунтов в основаниях существующих и строящихся зданий и сооружений путем их обжатия с помощью образующихся разрывов, заполненных твердеющим цементным раствором, способствующих повышению физико-механических характеристик (р, ф, С, Е). Разрывы, заполненные раствором в виде плоских цементных тел ограниченной толщины и ширины, могут быть направлены вертикально, наклонно или горизонтально к скважине.

Метод высоконапорной цементации с постановкой тампонажного пакера позволяет создавать в основаниях строительных объектов, сложенными дисперсными грунтами, горизонтальные и вертикальные армирующие цементно -грунтовые тела заданной формы и регулируемого залегания (от горизонтального до вертикального).

При проектировании и производстве работ по укреплению грунтов учитываются инженерно-геологические условия участка, включая [21]:

- информацию о напластованиях грунтов с указанием инженерно -геологических элементов (далее - ИГЭ) с отметками кровли и подошвы, расположения в плане, разрезов;

- свойства ИГЭ: вид грунта, плотность, консистенция (для связных грунтов), наличие органических веществ в процентном отношении, гранулометрический состав (для песков), коэффициент фильтрации (для песков);

- физико-механические характеристики грунтов каждого ИГЭ:- уровень подземных вод, сезонные колебания, агрессивность к цементному камню (бетону) и элементам армирования;

- наличие специфических грунтов, опасных природных и техногенных процессов и явлений (оползни, карст, суффозионный процесс, агрессивность к цементному камню и армирующим элементам);

- результаты зондирования, штамповых испытаний;

- результаты геофизических исследований.

Основные расчетные положения при укреплении грунтов заключаются в следующем.

Этапы расчета параметров формирования тампонажного пакера с целью оптимизации технологических процессов по формированию армоцементного каркаса в закрепляемом грунтовом массиве способом высоконапорной инъекции включают [21, 22]:

- изучение и систематизация физико-механических характеристик и условий залегания дисперсных неустойчивых и обводненных грунтов в основаниях существующих или строящихся зданий и сооружений;

- инженерный расчет параметров формирования объемного цементного матричного каркаса с заданными характеристиками, включающий определение радиусов распространения укрепляющего цементного раствора, давления нагнетания, интервалов заходок цементации, общих объемов укрепляющего цементного раствора;

- расчет параметров формирования тампонажного пакера (выбор состава раствора для тампонажного пакера, длина пакера, время стабилизации тампонажного пакера с целью набора структурной прочности);

- выбор технологической схемы напорной цементации.

Схема формирования цементной пространственной фигуры в дисперсных грунтах с постановкой тампонажного пакера показана на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 -Расчетная схема инъекционной скважиныпри напорной цементации с гидроразрывом грунтового массива

Расчеты основания из элементов закрепленного грунта выполняют в соответствии с требованиями [22] методами математического моделирования с применением сертифицированных программных комплексов. Для верификации расчетов и выбора конструктивных схем и методов закрепления необходимо руководствоваться СП [90-95].

Расчет сплошных массивов из закрепленного грунта под фундаменты существующих зданий следует проводить в соответствии с СП 22.13330, по несущей способности исходя из условия

N < Rс / Уп (4.1)

где Яс- предельное сопротивление массива основания из укрепленного грунта, МПа.

Расчетная нагрузка N на основание (несущая способность) из закрепленного грунта, определяется по формуле

^ Рф Б3.ф / Б3.г, (4.2)

где Рф - давление под подошвой фундамента, МПа;

Л

Бз.ф - площадь подошвы фундамента, м ;

8з.г - площадь закрепленного массива грунта, м2;

уп - коэффициент надежности по назначению сооружения, который принимается равным 1,20; 1,15 и 1,10 соответственно для сооружений классов КС-3, КС-2 и КС-1.

Предельное сопротивление массива Яс основания из укрепленного грунта, вычисляется по формуле

Яс = Яр.с.\33.г, (4.3)

где Ярс.— значение расчетного сопротивления сжатию закрепленного грунта в режиме пропитки растворами на основе цемента;определяется по результатам лабораторных работ и уточняется полевыми исследованиями в рамках работ на опытных участках, на этапе проектирования расчетное значение может быть назначено в зависимости от Кф грунта и способа закрепления в соответствии с положениями пособия [21] и в зависимости от класса закрепленного грунта по прочности по таблице 5.2 [22] и по формуле

Яц.з.г. = Яs.ц./ Бк.э= Яд/3, (4.4)

где Я^ц- средняя прочность закрепленного грунта. МПа.

Повышение несущей способности основания может выполняться отдельными элементами закрепленного грунта, расположенными вертикально, наклонно или горизонтально на, определенном расстоянии один от другого, расчетом по предельным состояниям первой и второй групп.

Последовательность проектирования искусственных оснований, армированных элементами закрепленного грунта приведена в приложении В.

Результаты аналитических, компьютерных и натурных исследований параметров и закономерностей высоконапорного упрочнения грунтов с постановкой тампонажного пакера, а также теоретических данных

компьютерного моделирования в установлении закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния укрепляемых грунтовых оснований зданий и сооружений позволяют улучшить применяемую универсальную методику обоснования технологических параметров укрепления.

Область применения данной методики включает объекты геотехнического, промышленного и гражданского строительства.

Базовая технология укрепления грунтовых оснований сооружений основана на методе комплексного тампонажа, разработанного

НПО «Спецтампонажгеология» [22]. Технология предполагает классификацию дисперсных грунтов 3-х видов с различными свойствами:

- неуплотненные водонасыщенные супеси, суглинки и глины;

- неуплотненные водонасыщенные супеси, суглинки и глины средней степени уплотнения,

- суглинки и глины высокой степени уплотнения.

Методика включает поэтапное определение основных технологических параметров укрепления грунтового основания: требуемого диаметра зон закрепления их высоты И и расположения в грунтовом массиве относительно фундамента; требуемых деформационных и прочностных свойств грунтоцементного тела, расстояния между инъекционными скважинами, расхода раствора.

При инъектировании грунтовых оснований возникает необходимость оптимизации технических параметров процесса.

Под техническими параметрами рассматриваются:

- диаметр скважин;

- длина участка скважин, на котором выполняется инъектирование;

- давление, при котором производится инъектирование Р0;

- давление гидроразрыва грунта;

- время инъектирования;

- вязкость раствора, которым производится инъектирование;

- радиус проникновения инъектирующего раствора;

- шаг расстановки скважин, через которые нагнетается укрепляющий раствор.

Для практической реализации предложенного способа укрепления грунтов оснований фундаментовв режиме их гидроразрыва с использованием тампонажного пакера важным вопросом является инженерное обоснование их параметров, включающие следующие этапы [16, 99, 100].

Этап 1. Инженерно-геологические и гидрогеологические исследования грунтов, включающие [21]:

- информацию о напластованиях грунтов с указанием инженерно-геологических элементов (далее - ИГЭ) с отметками кровли и подошвы, расположения в плане, разрезов;

- свойства ИГЭ: вид грунта, плотность, консистенция (для связных грунтов), наличие органических веществ в процентном отношении, гранулометрический состав (для песков), коэффициент фильтрации (для песков);

- физико-механические характеристики грунтов каждого ИГЭ: у - удельный

-5

вес грунта естественного сложения, кгс/см , Ж - влажность, дол.ед., е -коэффициент пористости, дол. ед., с - сцепление, КПа, ф - угол внутреннего трения, град., Е - модуль деформации, МПа; Кф - коэффициент фильтрации, м/сут;

- уровень подземных вод, сезонные колебания, агрессивность к цементному камню (бетону) и элементам армирования;

- наличие специфических грунтов, опасных природных и техногенных процессов и явлений (оползни, карст, суффозионный процесс, агрессивность;

- результаты геофизических исследований.

Этап 2. Определение геометрических и технологических параметров:

- рецептуры инъекционного раствора и его расчетные характеристики:

Я - прочность на сжатие, Е - модуль деформации/упругости, В/Ц раствора, допустимое динамическое напряжение сдвига, характеристики раствора (плотность, вязкость, растекаемость, подвижность), назначаемые в соответствии с п. 5.4 [21] и требованиями нормативного документа [20];

- технологические параметры цементации: й - диаметр инъекционных скважин, бурильной гладкоствольной колонны, давление формирования тампонажного пакера, давление инъекции, объем раствора и расход цемента на 1 м, количество циклов инъекции;

- расчетные характеристики армирующих цементных тел.

Этап 3. Определение проектных несущих параметров укрепляемых грунтов:

- нормируемые показатели качества элемента/ячейки закрепления: интегральный модуль деформации ЕзгЪ, интегральная плотность р, интегральный коэффициент пористости е.

Исследователями и практиками геотехнического строительства отмечается изменение плотности сложения как песчаного, так и глинистого грунтов [9, 12, 16, 19, 21]. Увеличение плотности в свою очередь приводит к изменению прочностных и деформационных характеристик.

Давление, при котором происходят гидроразрывы в грунте, зависит от глубины инъекции и свойств грунта, не зависит от проницаемости грунта, вида и вязкости раствора. Принятая формула для определения давления гидроразрыва грунтового массива определена эмпирио-аналитическим методом и приведена в таблице 4.1.

Таблица 4.1 -Определение параметра давления гидроразрыва

№ п.п. Обоснование Расчетная формула Критерии использования

1 «Методическое пособие по укреплению грунтов...» [21] Рр =р-кС Р - средневзвешенная плотность толщи грунтов, т/м3; И - глубина горизонта инъекции от поверхности, м; С - сцепление грунта, кПа; Л -коэффициент бокового давления Наличие дисперсных грунтов. Глубина залегания кровли укрепляемого интервала -не менее 3,0 м

Блок-схема проектирования параметров напорной цементации с постановкой тампонажного пакера и гидроразрыва грунтового массива приведена на рисунке 4. 2.

Методика

проектирования технологических параметров упрочнения грунтов с постановкой там по намного пакера

Инженерно-геологические свойства | Технологические эталы упрочнения грантов

грантов

Фи зико-механические Бурение иньекхгионных скважин

Деформационные Постановка гампонажного пакера

Прочностные ГидроразрыЕ грунта и нагнетание раствора

Расчет параметров высоконапорнон нньекпнн грунтов

Ч 5: ч £ ¡4

¡г и Щ й с?

К £ Ш с?

Я й й — г; 3 С и г;

С. й сГ

Ш = 3 Е- С О

М 'Л й Г4 = с. и, й -С X с. 2 ^ О аз

К и И — н

£ аэ к

о =

(- о о

С К N е м

-

р.

ь £

й

й а

о £

=

N

г; =

3

й й Г *

I

Контроль качества закрепления грунтов

I

Рисунок 4.2 - Алгоритм проектирования технологических параметров укрепления грунтового основания с постановкой тампонажного пакера

Разработанная методика предусматривает поэтапное определение следующих параметров: давление нагнетания раствора; расстояния между скважинами; объем нагнетаемого раствора; максимально допустимое давление нагнетания.

Методика проектирования также сгруппирована по этапам и приведена в виде таблицы 4.2.

Таблица 4.2 - Методика расчета параметров напорной инъекции с использованием тампонажного пакера_

№ п.п Наименование параметра Ед. изм. Формула вычисления Условные обозначения

1 2 3 4 5

1 Коэффициент пористости д.ед Рз л е =--1 Ра р.; - плотность минеральных частиц грунта, кг/м3; ра -плотность сухого грунта, кг/м3;

2 Предельное сопротивление грунта сдвигу МПа тккр = Ск + Рк • Ch - сцепление грунта на глубине И, МПа; ф - угол внутреннего трения, град;

3 Давление грунта МПа V-1 к Рк = 9 А 7 = g - ускорение свободного падения, м/с2; рг - плотность г-ого слоя грунта, кг/м3; тг -мощность г-ого слоя грунта, м;

4 Модуль общей деформации, МПа о 1 +е Е = в- ту ^-безразмерный коэффици ент, зависит от вида грунта;

5 Коэффициент сжимаемости, м2/кН б1 -ег П" = Р2 -Рг е1 и е2 -коэффициенты пористости после воздействия давления Р1 и Р2;

6 Относительная деформация грунта д.ед. с_ кк - нр кк Ии - высота при давлении, равное горному, м; Ир- высота керна при давлении нагнетания, м;

7 Необходимая степень уплотнения д.ед. ^кпр епр ек ^ = ' ^ =11 т 1 + ек ДИПр - проектная толщина слоя раствора, м; т -мощность укрепляемого слоя, м; епр - проектный коэффициент пористости^ -коэффициент пористости;

8 Необходимая степень армирования ед. А = 100 (N0 - К)тн.3.г Ко - R), N0 - требуемая несущая способность основания, МПа;.К - расчетное сопротивление грунта, МПа

9 Длина тампонажного пакера МПа L = 1 (/(м) + /(И)+ /(С) + /(Рг )) = 1 -М + Ь • И + (е, • С + 0.199)+ р • Рр) аг, Ъ, сг, р- константы, определяемые по таблице 2.6.

10 Радиальное перемещение стенок скважины м 1+му ( \ и = ' -(Р-£0 • у• И)• г у Еу- модуль упругости грунта; /и - коэффициент бокового расширения грунта в упругой стадии.

Продолжение таблицы 4.2

1 2 3 4 5

11 Радиус закрепления м я = Р,'Рр + Р\ Рр - давление гидроразрыва, МПа, ри р1 - константы, согласно таблицы

12 Расстояние между скважинами м 1 = 2•^•Я £ - коэффициент запаса,

13 Объем раствора из скважины 3 м 1 2 V = -пАКр(К0 + и) 2 ДЬпр - приведенная мощность укрепляемого грунта

14 Максимально допустимое давление нагнетания МПа п РК + ^Икр Рдоп ^ ТЫк - допустимое напряжение сдвига раствора, н/м2

15 Давление на насосе МПа Рн Рдоп+ Рт Рт - давление на линии нагнетания

4.2 Технологическая схема упрочнения оснований фундаментов высоконапорной инъекцией с использованием тампонажного пакера

Технология закрепления грунтового массива высоконапорным инъектированием тампонажных растворов с гидроразрывом грунтов с использованием тампонажного пакера через скважины, пробуренные с поверхности земли, предусматривает:

- бурение скважин гладкоствольной бурильной колонной, оборудованной твердосплавной коронкой;

- промывка скважины без подъема гладкоствольной колонны и заполнение затрубного пространства обойменным или укрепляющим раствором на расчетную величину (сооружение тампонажного пакера);

- ожидание начала структурирования раствора тампонажного пакера;

- поинтервальный подъем гладкоствольной колонны на расчетную величину и нагнетание укрепляющего раствора. При нагнетании происходит уплотнение, пропитка и гидроразрыв грунта в укрепляемом интервале.

В зависимости от величины заходки нагнетания происходит формирование цементных тел радиального (горизонтального) или линейного (плоского вертикального) формирования.

Расстояние между инъекционными скважинами определяется расчетным путем и может составлять 0,2 м до 2,0 и более метров.

Буровые и тампонажные работы по каждой из скважин выполняются в следующей технологической последовательности:

- бурение в интервале устья скважины под кондуктор; установка и цементация кондуктора диаметром не менее 89 мм, ОЗЦ;

- бурение собственно инъекционной скважины гладкоствольной бурильной колонной диаметром 50 до 63 мм;

- сооружение тампонажного пакера путем нагнетания укрепляющего (обойменного) раствора в зазор между гладкоствольной колонной и стенками скважины, ожидание начала стабилизации обойменного раствора;

- подъем гладкоствольной колонны на расчетную высоту;

- нагнетание расчетного количества укрепляющего раствора в заданный интервал при давлении, равном давлению гидроразрыва;

- контроль качества укрепительного нагнетания по соответствию режимам нагнетания и опрессовки закрепляемого массива.

Вблизи объекта укрепительных работ предусматривается строительство комплекса для приготовления тампонажных растворов, представляющего собой три отдельных, технологически связанных блока:

1. Площадка с емкостями для цемента и порошковой глины, оборудованная шнековыми перегружателями для загрузки цемента и порошковой глины в растворомешалки.

2. Предварительное приготовление исходной глинистой суспензии производят с использованием в глиномешалках с ипользованием шламовых насосов.

3. Цех по приготовлению цементно-глинистого (цементного) раствора, включающего здание блочного типа, в котором установлены растворомешалки лопастного или роторного типа и нагнетательные поршневые насосы. Подача реагентов-структурообразователей производится шестеренчатыми насосами для вязких жидкостей.

Принципиальная схема приготовления и нагнетания тампонажного рствора приведена на рисунке 4.3.

-з

1 -Миксер СМ-20/50 емкостью 200 л; 2 - Емкость накопитель объемом 0,5 м ;

3 - Инъекционный насос ОР-40; 4 - Буровой насос НБ3-120/40; 5 - Буровой станок БСК-4; 6 - Шнековый перегружатель; 7 - Силос для цемента; 8 - Емкость для воды; 9 - Контейнер для мешков с бентонитовым порошком

Рисунок 4.3 - Технологическая схема производства буровых

и укрепительных работ

Для приготовления проектного объема тампонажного раствора целесообразно использовать полуавтоматическую стационарную растворосмесительную установку типа «Мини» (рисунок 4.4.) или ей подобную.

Рисунок. 4.4 - Цементационная установка «Мини» для приготовления

цементных растворов.

Цемент и глина со склада через бункер шнеком подают на сито, а затем в дозатор. Тампонажный раствор готовят в растворомешалке РМ - 750 и складируют в емкости накопителе (рисунок 4.5).

Рисунок 4.5 - Миксерная станция СМ 20/50

Для нагнетания тампонажных растворов при закреплении грунтов целесообразно использовать поршневые или плунжерные насосы, применяемые при бурении скважин, а также насосы, предназначенные для цементирования различных скважин.

4.3 Опытно-промышленные работы упрочнения грунтов на промышленных и гражданских объектах

4.3.1 Укрепление неустойчивых грунтов методом напорной цементации

под опорами моста путепровода

На основании результатов изысканий, выполнена цементация грунтов с целью усиления несущей способности фундаментов опор № 1 и № 2 и усиления несущей способности грунтов под подошвой буронабивных свай опор № 3 и № 4 (рисунок 4.6) методом высоконапорной инъекции грунтов и исключения возможного дополнительного уплотнения грунтов оснований опор под динамической нагрузкой [120].

Повышение несущей способности упрочняемых грунтов достигнуто методом высоконапорной цементации с использованием тампонажного пакера за

счет создания армоцементного несущего каркаса и уплотнением слабосвязных грунтов между слоями цементного раствора (рис. 4.7).

Рисунок 4.6 - Фрагмент выполнения опытно-промышленных работ

Строительная площадка расположена на левом пологом склоне р. Ольховая в северной части Донецкого кряжа. В геологическом строении участка до разведанной глубины 26 м принимают участие современные техногенные грунты, четвертичные отложения и отложения кампанского яруса меловой системы.

Четвертичные делювиальные отложения представлены суглинками от твердых до текучих, с гнездами карбонатов, с включениями щебня и дресвы. Общая мощность четвертичных отложений 2,8-17,4 м.

Отложения кампанского яруса представлены мергелем выветрелым. По результатам камеральных и лабораторных работ выделено 7 инженерно-геологических элементов (ИГЭ):

- насыпной грунт: суглинок желто-серый, твердый и полутвердый, с включениями щебня 10-20% (ИГЭ-1)

Рисунок 4.7 - Схема формирования искусственного основания фундаментов моста путепровода

- насыпной грунт: песок мелкий серо-коричневый, малой степени водонасыщения, средней плотности (ИГЭ 2)

- насыпной грунт: суглинок коричневый, светло-коричневый с сероватым оттенком, твердый и полутвердый (ИГЭ 3)

- суглинок коричневый и светло-коричневый;

- мергель выветрелый до состояния суглинка серо-белого, полутвердого и туго-пластичного, с включениями щебня10-20% (ИГЭ 5) К2ср;

- мергель выветрелый до состояния суглинка щебнистого (щебня 20-30%), серо-белый, от твердого до тугопластичного единичными глыбами мергеля (ИГЭ 6) К2ср;

- мергель выветрелый до состояния щебнисто-глыбового грунта: щебень и глыбы мергеля с супесчаным пластичным и текучим заполнителем 30-40 % (ИГЭ 7) К2ср.

Водоносный горизонт приурочен к четвертичным делювиальным отложениям и отложений кампанского яруса меловой системы. Его уровень зафиксирован на абсолютных отметках плюс (157,0-170,0); при этом сезонные колебания уровня составляют 0,5-1,0 м. Подпитка осуществляется за счет инфильтрации атмосферных осадков и перетоков с ниже залегающих водоносных горизонтов. Водоносный горизонт безнапорный. По химическому составу вода слабоагрессивная.

Сводная характеристика грунтов основания опор приведена в таблице 4.3.

Таблица 4.3 - Параметры грунтов оснований исследуемого объекта

№ п.п Параметры грунта Н асыпной грунт Суглинок коричневый Мергель выветрелый до суглинка

Суглинок желто-сер Песок мелкий Суглинок

1 Номер ИГЭ ИГЭ-1 ИГЭ-2 ИГЭ-3 ИГЭ-4 ИГЭ-5

2 Мощность, м 1,0-1,5 1,8-3,4 2,3-3,1 2,3-4,0 4,7-9,5

3 р,, кН/м3 - 26,09 19,8 27,2 26,1

4 Р, кН/м3 - 18,5 18,6 19,01 19,5

5 Ж % - 19 22 25 28

6 Жь, % - 30 36 43 48

7 еп д.ед. - 0,45 0,40 0,41 0,60

8 р, град - 28 18 18 19

9 ^е^ение, МПа - 0,001 0,0029 0,003 0,008

10 Модуль деформации МПа - 19,0 8,24 8,46 9,0

В пределах участка расположения опор № 1 и № 2 выявлено локальное замачивание насыпных грунтов ИГЭ 1, 3 и суглинков ИГЭ 4. Причиной этого явления является:

- дренирование поверхностных вод вниз по склону;

- насыпь сооружалась из мерзлых грунтов осеннее - зимний период.

Для стабилизации осадки фундаментов и устранения аварийного деформирования надземной части путепровода предложен рассмотренный в настоящей работе способ высоконапорной инъекции с гидроразрывом грунта и постановкой тампонажного пакера.

По проектным техническим решениям зона закрепления грунтов оснований находится в интервале от подошвы фундаментов опор до слоя ИГЭ-7, представленного мергелем, выветрелого до состояния глыб.

Для упрочнения грунтов использован цементный раствор, состав и свойства которого приведены в таблице 4.4.

Таблица 4.4 - Характеристики цементного раствора

№ Состав Сроки схватывания час-мин Прочность при

п.п Состав тампонажного раствора цементного раствора вес.часть Плотность кг/м Выход камня, % Расте-каемо-сть, сжатии, МПа (через суток)

Цемент Вода см начало конец 1 28

Сульфатостой

кии порт-

1 ландцемент М500--1200 кг на 1м3 раствора Вода 750 л на 1м раствора 1 0,6 1800 95 35 8-00 11-00 0.2 40.0

Расчет параметров формирования тампонажных завес и объемы нагнетания тампонажного раствора выполнены по нижеприведенной методике. Длина тампонажного пакера определена по формуле

Ь = 1 (а ■ М + Ь ■ Н + (с ■ С + 0.199)+ р ■ Р ) =

г г 4 г ; гг р> (4.5)

0,25(1,786 ■ 0,522 + 0,193 ■ 22 + (8,58 ■ 4 + 0,199) + 0,907 ■ 2,0) = 9,66м Допустимое давление нагнетания тампонажного раствора определяется по формуле

Рд = Рб +Ткр (4.6)

где Рд - допустимое давление на забое скважины, МПа; Рб - горное давление грунтов, МПа; ткр - предельное сопротивление сдвигу грунтов, МПа Мощность уплотняющего слоя при допустимом давлении

да =

тах г^

Е

(4.7)

где т - мощность слоя грунта, м;

Е - модуль деформации грунта, МПа Радиус распространения тампонажного раствора с тампонажным пакером определяется по формуле

Я = 0,672 • Рр - 0,056 = 1,6 м (4.8)

Объем нагнетания раствора в одну заходку

V = ^-ДАтах • Я2 (4.9)

Объем нагнетания тампонажного раствора в одну скважину составит

М

К„ = М • V (4.10)

где М - мощность укрепляемого слоя грунта, м; I - расстояние между уровнями укрепления, м Общий объем нагнетания раствора

V = Ускв • п (4.11)

где п - количество тампонажных скважин

Результаты расчетов необходимых объемов нагнетания тампонажного раствора приведены в таблице 4.5.

Таблица 4.5 - Параметры необходимых объемов тампонажного раствора

Но мер опо ры Глу бина сква жины м Интервал тампо-ниро-вания, м Мощность, м Проектный радиус раствора из отдельной скважны,м Объем нагнетания там-понажного раствора в скважину, м3 Количество скважин Общий объем тампонаж-ного раствора, м3

1 2 3 4 5 6 7 8

№1 16 2,0-16,0 14,0 1,2 1,0 16 16,0

№2 20 2,0-20,0 18,0 1,2 1,0 16 16

№3 22 2,0-22,0 20,0 1,2 0,68 16 15,0

№4 23 2,0-23,0 21,0 1,2 0,8 16 12,8

Конечное рабочее давление нагнетания, характеризующее достижение расчетной величины радиуса распространения тампонажного раствора из отдельной скважины, определяется по формуле [22]

Рм = Рд +ЛРтр - Рг (4.12)

где: Рм- конечное рабочее давление нагнетания, МПа; Рд - допустимое давление нагнетания, МПа;

АРтр - потери напора при течении тампонажного раствора в нагнетательном

трубопроводе, МПа;

Рг - гидростатическое давление столба тампонажного раствора в скважине, МПа.

Результаты расчетов конечного рабочего давления нагнетания приведены в таблице 4.6.

Таблица 4.6- Параметры конечного рабочего давления нагнетания

Интервал тапонирования м Допустимое давление на забое скважины, АР, МПа Потери напора в трубопроводе, АР т, МПа Гидростатическое давление тампонажного раст вора,Рг, МПа Конечное рабочее давление нагнетания, Рм, МПа

2,0 - 8,0 3,38 0.26 0.14 2,5 -3,5

8,0 - 16,0 4,42 0.36 0.28 3,5 - 4,5

16,0 - 22,0 5,39 0,46 0,35 4,5 - 5,5

2,0 - 23,0 5,4 0,52 0,35 4,5 - 5,6

3

Выполнено приготовление и нагнетание 47 м цементного раствора через инъекционные скважины. Результаты лабораторных исследований физико-механических свойств грунтов, полученных в результате контрольного бурения и отбора керновых проб приведены в таблице 4.7.

Контрольное бурение с отбором керна закрепленных грунтов показало, что их структурная прочность составляет не менее 5,0 МПа. Средневзвешенное значение модуля деформации массива грунтов после их цементации оценено величиной не менее 25-30 МПа.

Таблица 4.7 - Свойства грунтов до и после их закрепления

№ п.п Вид грунта Плотность грунта,кН/м3 Модуль деформации,МПа Сцепление, кПа Угол внутреннего трения, град

1 Физико-механические свойства грунтов до укрепления

2 Насыпнойгрунт ИГЭ-2 18,5 8,24 1,0 28

3 Суглинок корич невыйИГЭ-3 19,1 8,46 3,0 18

4 Суглинок серый ИГЭ-4 19,5 9,0 8,0 19

5 Физико-механические свойства грунтов после укрепления

6 Насыпнойгрунт ИГЭ-2 19,4-19,6 13,4-13,8 1,4-1,5 31

7 Суглинок корич невый ИГЭ-3 20,1-20,5 14,2-14,9 4,5-5,0 20-21

8 Суглинок серый ИГЭ-4 20,6-21,1 16,8-17,0 12,4-12,7 22-23

Применение тампонажного пакера позволило получить радиус распространения инъекционного раствора из отдельной скважины равный 1,6 м, при проектном значении, рассчитанного по стандартной методике - 1,2 м. Увеличение радиуса распространения раствора из отдельной скважины позволило уменьшить количество скважин на 25 %.

4.3.2 Стабилизация деформаций грунтов основания фундаментов

здания № 813-в РКХЗ «Заря»

В геоморфологическом отношении участок здания № 813-в расположен в пределах надпойменной террасы р. Северский Донец. Рельеф участка спокойный, с абсолютными отметками (+80,0) ^(+81,0) м [121].

Общий вид помещений здания приведенна рисунке 4.8.

По данным бурения инженерно-геологических скважин в геологическом разрезе участка принимают участие отложения четвертичного и мелового возраста.

Рисунок 4.8 - Фрагмент расположения инъекционного оборудования внутри помещения здания № 813-в

Четвертичные отложения представлены:

- техногенный грунт О^у) - бетон, мощностью 0,25-0,3 м, песок среднезернистый, желтовато-коричневый, влажный, мощностью 1,0-1,5 м;

- аллювиальные отложения (аОъыу) песок среднезернистый, до глубины 3.0 м влажный, ниже водонасыщенный, с включениями в отдельных интервалах мелкого гравия с размерами зерен до 2-3 мм. Слой пересечен скважинами в интервалах глубин от 1,0-1,5 м до 5,5 м. Мощность слоя 4,0-4,5 м.

Меловые отложения (К2) представлены мергелевой толщей. В верхней части разреза, до глубины 17,0 м мергель разрушен карстовыми процессами до состояния супесчаной массы текучей и пластичной консистенции. Ниже 17,0 м залегают мергели плотные трещиноватые. Вскрытая мощность меловых отложений 12,5 м.

Подземные воды на участке строительства инженерно-геологическими скважинами вскрыты на глубине 3,0 м.

По результатам бурения инженерно-геологических скважин и лабораторных исследований физико-механических свойств грунтов в геологическом разрезе участка строительства технологической колонны здания № 813-в выделено 3 инженерно-геологических элемента.

ИГЭ 1 - пески среднезернистые;

ИГЭ 2 - мергель, разрушенный до состояния супеси текучей консистенции;

ИГЭ 3 - мергель разрушенный до состояния супеси пластичной.

Инженерно-геологические элементы 2 и 3 представляют в литологическом отношении единую толщу, характеризующуюся резкой изменчивостью физико-механических свойств и разделены на два слоя по показателю их консистенции.

Нормативные и расчетные характеристики грунтов приведены в таблицах 4.8-4.10.

Таблица 4.8 - Параметры физико-механических свойств ИГЭ-1

№ п Показатели о к е « X 2 з « к в л й Й со X а 2 и к те Нормативные значения Среднеквадра тичное отклонение Коэф. вариации V Расчетные значения