Исследование вопросов оперативного контроля струйной цементации грунтов по параметрам грунтоцементной пульпы

Введение

Геотехнические конструкции, выполненные по технологии струйной цементации, могут быть использованы в качестве искусственных оснований и различных защитных ограждающих конструкций. В современной практике все чаще обращаются к данной технологии для решения широкого спектра имеющихся проблем на объектах строительства.

В связи с высокой востребованностью технологии сформирован запрос на усовершенствование ее параметров, увеличение надежности выполняемых с помощью нее геотехнических конструкций и снижение их стоимости. Одним из возможных путей удовлетворения данного запроса может являться усовершенствование методов и принципов контроля качества конструкций, сформированных по технологии струйной цементации.

В настоящее время нормативная документация основным способом контроля предписывает отбор кернов непосредственно из элемента закрепленного грунта, но такие операции являются дорогостоящими и длительными. Кроме этого, отбор керна является средством контроля, выполняемым после производства работ и твердения грунтоцемента (ГЦ), что означает отсутствие возможности влияния на результат по итогам проводимого контроля. Следует отметить, что кроме контроля с помощью отбора кернов нормативная документация позволяет применять в качестве дополнительных к отбору керна методов контроль по прочности образцов из грунтоцементной пульпы (ГП) и контроль с помощью штамповых испытаний и геофизических методов [1]. Данные методы в основном применяются на этапе приемки, достаточно локальны по объемам, а значит, являются ограниченными в своем применении и также не имеют возможности оказывать влияние на результат проводимых работ.

В соответствии с этим в настоящее время вопросы оперативного контроля являются крайне актуальными, их решение в части разработки нового улучшенного метода контроля позволит оказывать воздействие на результат в процессе производства работ. При этом разрабатываемый метод должен характеризоваться высокой надежностью, оперативностью, а также должен снижать стоимость применения технологии и производства сопутствующих работ. Перспективным решением данной задачи может стать оперативный метод прогнозирования характеристик грунтоцементного элемента (ГЦЭ) по показателю плотности изливаемой в процессе производства работ пульпы, учитывающий тип технологии струйной цементации jet-1 и jet-2. Уникальность данного метода заключается в возможности определять отклонения от заданных контролируемых параметров (прочность ГЦЭ) в процессе производства работ по показателю плотности грунтоцементной пульпы, что позволит в случае необходимости корректировать технологические параметры определенным образом для обеспечения требуемых характеристик.

Большой вклад в развитие струйной цементации внесли И.И. Бройд [2], А.Г. Малинин [3][4], М.Н. Ибрагимов [5][6], Л.И. Малышев и М.Ф. Хасин [7], В.Н. Корольков и М.И. Смородинов [8], А.В. Черняков [9] и др. Эти авторы написали множество статей, научных работ и книг. Помимо исследований представленных ранее авторов, в Российской Федерации специалистами НИИОСП им. Н.М. Герсеванова были разработаны нормативные документы СП 22.13330.2016 [10], СП 45.13330.2017 [1], СП 291.1325800.2017 [11], ГОСТ Р 70696-2023 [12], ГОСТ Р 70695-2023 [13], ГОСТ Р 59706-2022 [14], ГОСТ Р 59538-2021 [15]. Кроме этого, проводилось множество научных исследований, в результате которых были составлены рекомендации, методики и инструкции на основании проделанных работ [16–20].

Кроме российских норм существует множество зарубежных документов: Eurocode 7. Geotechnical Design. Part 1: General Rules [21]; Eurocode 7. Geotechnical Design. Part 2: Ground investigation and testing [22]; BSI BS EN 12716-2018. Execution of Special Geotechnical Work – Jet Grouting [23]. За рубежом, как и в Российской Федерации, исследователи постоянно решают вопросы технологии струйной цементации и выпускают научные труды и статьи с результатами работ [24][25].

Исследования, представленные в данной статье, проводились в рамках выполнения НИОКР внутреннего финансирования АО «НИЦ «Строительство» по теме: «Исследование вопросов контроля цементации грунтов гидроструйным методом по параметрам грунто­цементной пульпы» в 2023–2024 гг.

Исследования проводились:

– на образцах и пробах исходных цементных растворов, изготовленных в лаборатории (плотность, водоотделение, сроки схватывания, подвижность);

– на образцах и пробах грунтоцементной пульпы и грунтоцемента, изготовленных на основе моделей пульпы в лабораторных условиях. Пульпу испытывали на плотность. Грунтоцемент испытывали на плотность и прочность.

Для лабораторных исследований использовался цемент ЦЕМ 0 42,5Н, грунт и вода водопроводная.

Грунт, используемый для изготовления образцов и проб в лабораторных условиях, в соответствии с ГОСТ 25100-2020 [26]:

– глина с числом пластичности 24 % легкая твердая (высушенная);

– суглинок с числом пластичности 8 % легкий твердый (высушенный);

– песок мелкий сухой с влажностью не более 3 %;

– песок средней крупности сухой с влажностью не более 3 %;

– песок крупный сухой с влажностью не более 3 %.

Исследования образцов и проб исходных цементных растворов, изготовленных в лаборатории

Для проведения исследований исходных цементных растворов были приняты цементные растворы с водоцементным отношением (В/Ц), соответствующим В/Ц исходных цементных растворов, принятых в данной работе для моделей грунтоцементной пульпы (В/Ц 0,8; 1,0; 1,5; 2,0; 3,0).

Пробы и образцы цементного раствора изготавливались путем перемешивания в лабораторном смесителе компонентов (цемент и вода) в необходимой пропорции для каждого В/Ц. Плотность растворов определялась в соответствии с ГОСТ Р 70696-2023 [12] и ГОСТ 5802-86 [27], водоотделение – в соответствии с ГОСТ Р 70696-2023 [12] и ГОСТ 34532-2019 [28]. Подвижность для раствора с В/Ц 0,8 определялась по ГОСТ Р 70696-2023 [12] и ГОСТ 34532-2019 [28]. Вязкость для растворов с В/Ц 1,0; 1,5; 2,0; 3,0 определялась по ГОСТ Р 70696-2023 [12], ГОСТ 33213-2014 [29] (ISO 10414-1:2008) и ГОСТ Р 70308-2022 [30]. Для определения сроков схватывания исходных цементных растворов использовался метод, соответствующий методике ГОСТ Р 70696-2023 [12] и ГОСТ 310.3-76 [31].

В табл. 1 представлены результаты исследований исходных цементных растворов с В/Ц 0,8; 1,0; 1,5; 2,0; 3,0 на подвижность/вязкость, водоотделение, сроки схватывания и плотность.

Исследования образцов и проб грунтоцементной пульпы и грунтоцемента, изготовленных в лаборатории

Образцы и пробы грунтоцементной пульпы и грунтоцемента, изготовленные в лабораторных условиях, исследовались по следующим показателям:

– плотность грунтоцементной пульпы;

– плотность грунтоцемента до водонасыщения и после водонасыщения;

– прочность грунтоцемента в водонасыщенном состоянии на 21-е сутки.

Грунтоцементная пульпа изготавливалась путем перемешивания исходных компонентов в определенных пропорциях по составам, представленным в табл. 2, с помощью строительного миксера. Температурно-влажностные условия при смешивании компонентов: влажность – 40–60 %, температура – 22–23 °C. Цементный раствор замешивался отдельно в лабораторном смесителе и в дальнейшем вливался в грунт, перемешиваемый на высоких оборотах с помощью миксера. Полученная смесь в жидком состоянии принимается как грунтоцементная пульпа. После заполнения стандартных форм грунтоцементной пульпой и ее отвердевания полученный материал принимается как грунтоцемент. В данной работе для лабораторных исследований составы грунтоцементной пульпы и грунтоцемента идентичны по соотношению составляющих (грунт – цемент – вода). Газовая компонента ввиду механического перемешивания и полного водосодержания (водонасыщения) грунтоцементной пульпы (после смешивания компонентов) в формировании образцов и влиянии на их характеристики не учитывалась. Присутствие незначительного объема вовлеченного воздуха за счет усадки при формировании кристаллической решетки при таком уровне содержания жидкости в пульпе и способе приготовления смеси (механическое перемешивание) не оказывает практического влияния на итоговые свойства закрепленного грунта.

Содержание компонентов, в том числе цемента, для составов по табл. 2 указано на 1 м ³ и не может соотноситься напрямую с расходами цемента на 1 м. п. в процессе струйной цементации в натуре.

Составы, принятые в табл. 2, подобраны на основании обеспечения адекватной прочности образцов для проведения испытаний и анализа результатов исследований, в том числе в соответствии с прочностью образцов реального грунтоцемента.

Для грунтоцементной пульпы плотность отобранной пробы измерялась весовым способом в соответствии с ГОСТ Р 70696-2023 [12], ГОСТ 5802-86 [27]. Кроме этого, по аналогичной методике с отступлением по виду и объему тары, используемой для взвешивания (использовалось ведро объемом 10–20 литров), измерялась плотность всего состава («в замесе»). Результаты измерения плотности для всего состава «в замесе» характеризируются большой погрешностью измерения и необходимы для сравнения относительного отличия между расчетной плотностью, плотностью отобранной пробы и плотностью всей массы смеси.

Твердение грунтоцементной пульпы для формирования грунтоцемента в лабораторных условиях происходило в кубических формах размером 70 × 70 × 70 мм. Формы с образцами хранились в герметично упакованных емкостях при температуре 22–23 °C и влажности 98–99 %. После чего не ранее 7-го дня проводилась распалубка образцов и перемещение в нормально-влажностные условия (НВУ). В возрасте 9 суток проводилось измерение плотности образцов с последующим водонасыщением в соответствии с ГОСТ Р 70695-2023 [13].

Испытание на прочность и измерение плотности в водонасыщенном состоянии образцов грунтоцемента проводились на 21-е сутки. Полученная прочность в дальнейшем была приведена к нормируемой прочности на 28-е сутки по коэффициентам ГОСТ Р 70695-2023 [13].

Плотность грунтоцемента измерялась по методике ГОСТ Р 70695-2023 [13] и ГОСТ 5802-86 [27] весовым методом. Исследование прочности на одноосное сжатие проводилось в электронной машине для испытаний в соответствии с методикой по ГОСТ Р 70695-2023 [13] и ГОСТ 5802-86 [27]. Скорость нагружения образцов – 1,47 кН/с.

На рис. 1 представлен процесс изготовления, твердения и испытания образцов грунтоцемента.

Результаты измерения плотности грунтоцементной пульпы и плотности, прочности на одноосное сжатие образцов грунтоцемента представлены в табл. 3.

По результатам, представленным в табл. 3, можно сделать следующие выводы:

– соотношение компонентов в пульпе и в грунтоцементе влияет на плотность и прочность проб и образцов;

– тип грунта влияет на плотность пульпы и плотность, прочность образцов грунтоцемента;

– у составов на основе глины и суглинка плотность пульпы и грунтоцемента влияет на прочность грунтоцемента;

– разновидность песка и содержание глинистых частиц влияет на прочность образцов грунтоцемента.

По результатам исследований следует отметить отличия в результатах измерения плотности в отобранной пробе и плотности всей массы смеси. Для смесей на основе глин и суглинков данное отличие незначительно, а для смесей на основе песка плотность отобранной пробы выше, чем плотность всей массы смеси, что объясняется высоким содержанием воды и, как следствие, характером поведения грунтоцементной смеси при отборе пульпы как неоднородной суспензии.

Далее приводятся графики, в которых наглядно представлены указанные выше влияния. На графике (рис. 2) представлено влияние водоцементного отношения цементного раствора на прочность грунтоцемента по составам табл. 2 при различных типах грунта.

По графику на рис. 2 видно, что при увеличении В/Ц цементного раствора прочность начинает снижаться независимо от типа смешиваемого грунта.

На графике (рис. 3) представлено влияние содержания цемента в 1 м ³ грунтоцементной пульпы на прочность образцов грунтоцемента, изготовленных в лаборатории по составам табл. 2, при различных типах грунта.

По графику на рис. 3 видно, что при увеличении содержания цемента в 1 м ³ грунтоцемента путем снижения В/Ц цементного раствора прочность грунтоцемента начинает увеличиваться независимо от типа смешиваемого грунта.

На графике (рис. 4) представлена зависимость прочности грунтоцемента от плотности грунтоцементной пульпы для составов на основе глины и суглинка.

По графику на рис. 4 видно, что при увеличении плотности грунтоцементной пульпы с уменьшением водоцементного соотношения для составов на основе глины и суглинка увеличивается прочность грунтоцемента.

Результаты по зависимости прочности грунтоцемента от плотности грунтоцементной пульпы для составов на основе песка также показали тенденцию увеличения прочности грунтоцемента и, соответственно, плотности пульпы от возрастания содержания цемента в составе. Учитывая высокое содержание воды в исследуемых лабораторных моделях, полученные результаты в абсолютных значениях показателей отличаются от фактических значений, получаемых в полевых условиях, поэтому в работе была выполнена оценка получаемых результатов в виде тенденций и векторов развития исследуемых параметров.

На основании табл. 2 и рис. 4 справочно представлены табл. 4 и 5, по которым можно определить значение плотности, подлежащее контролю при формировании ГЦЭ в сухом грунте, для получения необходимой прочности грунтоцемента при заданном В/Ц исходного цементного раствора.

Выводы

На основании полученных результатов по исследованиям плотности пульпы, плотности и прочности грунтоцемента получена зависимость увеличения прочности грунтоцемента при увеличении плотности грунтоцементной пульпы, в рамках изменения соотношения компонентов состава пульпы.

Кроме этого:

– определены параметры (сроки схватывания, плотность, водоотделение, подвижность) цементных растворов с В/Ц 0,8; 1,0; 1,5; 2,0; 3,0, чаще всего применяемых в качестве инъекционных для технологии струйной цементации;

– прочность ГЦ увеличивается в интервале от 0,5 до 22 МПа при увеличении плотности ГП и ГЦ в интервале от 1,4 до 2,1 г/см ³ для всех типов рассматриваемых грунтов, при уменьшении В/Ц исходного цементного раствора в интервале от 3,0 до 0,8;

– при увеличении В/Ц исходного цементного раствора уменьшается плотность ГП и ГЦ в интервале от 1,4 до 2,1 г/см ³ и уменьшается прочность ГЦ в интервале от 0,5 до 22 МПа;

– прочность и плотность ГЦ зависят от гранулометрического состава песка и при низком В/Т (водо-твердом) отношении соответствуют составу смеси мелкозернистого бетона, однако с учетом повышенного содержания воды, что является обязательным условием технологии, исследуемые модели пульпы показали отличия в показателях, что подтверждает отличия между конструкционным материалом, которым является мелкозернистый бетон, и грунтом, закрепленным по технологии струйной цементации;

– прочность ГЦ уменьшается с увеличением содержания глинистых частиц в грунто­цементной пульпе;

– увеличение содержания цемента при уменьшении В/Ц исходного цементного раствора увеличивает прочность ГЦ и плотность ГЦ и ГП.

Метод оперативного контроля прочности грунтоцемента по плотности грунтоцементной пульпы возможен и после проведения дополнительных более углубленных исследований может быть применен в практике строительства. Исследования, рекомендуемые в качестве продолжения разработки темы:

– уточнение параметров пульпы и грунтоцемента на основе глины, суглинка и песка с отличным от принятых в данной работе содержанием цемента в 1 м ³ грунтоцементной смеси;

– проведение исследований лабораторных образцов на моделях водонасыщенного грунта;

– разработка методики для уточнения параметров пульпы и грунтоцемента в лабораторных условиях, позволяющей исследовать пробы и образцы с увеличенным содержанием жидкости в составе со сведением к минимуму влияния неоднородности смеси на результат исследований;

– исследование полевых образцов пульпы и грунтоцемента с последующим коррелированнием результатов лабораторных исследований.