ООО "ГЕОДИАГНОСТИКА"
Главная ] Вверх ] О себе ] Приборы ] Геофизика ] Бурение ] Предложения ]  

 

 

        English

 

 

          ООО

"Геодиагностика"

 

    

ТЕХНОЛОГИИ

контроля

сплошности:

 

ледогрунтовых

ограждений

 

грунтоцементных

массивов и свай

 

бетонных

стен в грунте

 

шпунтовых

ограждений

 

буронабивных

свай

 

обделок

тоннелей

 

бетонных

конструкций

 

 

 

ОБЪЕКТЫ:

 

Размыв

пл. Мужества

 

Вторая сцена

Мариинского

театра

 

Западный скоростной диаметр

 

 

Кольцевая

 

автодорога

 

 

Рудник Мир

 

 

НОВОЕ:

 

Гироскопический

инклинометр

 

 

 

 

 

 

 

         

 

 

           

 

 

 

 

 

     

   

    СТРУЙНАЯ ЦЕМЕНТАЦИЯ ГРУНТОВ И КОНТРОЛЬ СПЛОШНОСТИ ГРУНТОЦЕМЕНТНЫХ ОГРАЖДЕНИЙ, МАССИВОВ, ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ ЗАВЕС И СВАЙ СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

 

 

Рис.1. Комплекс технических средств струйной цементации ОАО “Мостостроительный отряд №19” при укреплении основания дороги на участке от Кольцевой автодороги до развязки с трассой "Скандинавия" 3-й очереди строительства Западного скоростного диаметра в Санкт-Петербурга

 

Технология струйной цементации грунтов jet grouting, направленная на получение в массиве естественных грунтов локальных массивов искусственных грунтов с высокой прочностью, повышенной несущей способностью и низкой водопроницаемостью, за последние десять лет уверенно вошла в практику подземного и дорожного строительства в России. 

 Санкт-Петербург является одним из регионов России с наибольшими объемами струйной цементации из-за необходимости укрепления слабых текучих грунтов в основаниях зданий, сооружений и дорог, а также усложнения проектов и необходимостью снижения сроков и последующих затрат на эксплуатацию объектов строительства. Проектные организации Санкт-Петербурга, в числе которых ЗАО “Институт “Стройпроект”, ОАО “НИПИИ "Ленметрогипротранс”, ГУП “Ленгипроинжпроект”, ЗАО “Петербург-Дорсервис”, ОАО “КБ ВиПС”, ООО “Петер-Гиб”, используют струйную цементацию для создания грунтоцементных массивов различного назначения (свай, ограждений, противофильтрационных завес, распорных диафрагм).

Реализация проектов по струйной цементации грунтов осуществляется ведущими строительными организациями Санкт-Петербурга: ОАО “Мостостроительный отряд №19”, ЗАО “Пилон”, ЗАО “СМУ11 Метрострой”, ООО “Космос СПб”, ООО “СТИС”, ООО “Геоизол”, ООО “Геострой” и др..  C применением струйной цементации грунтов реализовано ряд крупных и значимых для Санкт-Петербурга проектов: Кольцевой автодороги и 2-й, 3-й, 4-й и 5-й очередей Западного скоростного диаметра (ЗСД), здания второй сцены Государственного академического Мариинского театра, Торгово-офисного комплекса “Стокман Невский Центр”, наклонных ходов станций метро Звенигородская, Обводный канал и Адмиралтейская.

            Вместе с тем внедрение струйной цементации в Санкт-Петербурге, как впрочем и внедрение любой новой  технологии, сопровождалось и сопровождается авариями и спорами по вопросам качества работ, Нередки судебные разбирательства, с попытками заказчиков уменьшить стоимость или вовсе отказаться от оплаты выполненных подрядчиками работ.

        В период 2003 - 2016 гг. ООО “Геодиагностика” (www.geodiagnostics.ru) осуществляла акустический контроль сплошности грунтоцементных массивов в естественном залегании практически на всех крупных объектах струйной цементации в Санкт-Петербурге (Кольцевой автодороги, Западном скоростном диаметре, здании второй сцены Мариинского театра и др.), что позволяет автору сформулировать причины возникновения конфликтных ситуаций по качеству выполненных работ:

        1.  Непонимание проектировщиками и строителями физики процессов и возможностей технологии струйной цементации грунтов

        2.  Недостаточное использование или полное отсутствие неразрушающих методов контроля состояния грунтоцементных массивов в естественном залегании.

        3.  Российский менталитет, надежда на русский  “авось” и привычка рисковать только деньгами налогоплательщиков.

       На проектных чертежах нарисованы красивые картинки с перескающимися кругами грунтоцементных элементов, но в реальности форма грунтоцементных массивов, как правило, отклоняется от проектной, а грунтоцемент характеризуются широким диапазоном изменения структурно-текстурных особенностей, прочностных и деформационных свойств и гидропронецаемости. Ниже автор кратко рассматривает технологию струйной цементации грунтов, проблемы контроля качества и неразрушающие геофизические акустические методы контроля состояния грунтоцементных массивов в естественном залегании.

       

           

        1. ТЕХНОЛОГИЯ СТРУЙНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ ГРУНТОВ

 

        Метод струйной цементации грунтов заключается в разрушении и перемешивании грунтов в месте залегания струями цементного раствора с замещением естественного грунта вначале грунтоцементным раствором,  а после затвердевания грунтоцементного раствора, новым материалом –  грунтоцементом (грунтобетоном). В результате струйной цементации в подземном пространстве могут быть устроены грунтоцементные массивы различного назначения (рис.2). Грунтоцементный массив можно определить как некоторый объем искусственного грунта, изготовленного способом струйной цементации, в подземном пространстве.

 

 

     

        В состав комплекса технических средств струйной цементации (рис.3) грунтов входят: буровая установка с комплектом инструмента, насосная установка высокого давления и смесительная установка . В настоящее время наиболее распространены комплексы оборудования и буровые установки фирм Soilmec, Casagrande CMV, Klemm и ряда других зарубежных производителей.

 

 

       

 

        Рис.3  Схема комплекса технических средств струйной цементации

1 –  бункер с цементом; 2 – смесительная установка; 3 – насосная установка высокого давления; 4 – компрессор; 5 – буровая установка; 6 – струя цементного раствора; 7 – полость с грунтоцементным раствором

 

      

       При струйной  цементации грунтов в подземном пространстве последовательно выполняются две технологические операции: бурение скважины и инъектирование цементного раствора (рис.4). Затем, уже без вмешательства человека, происходит твердение грунтоцементного раствора с образованием с нового искусственного материала   - грунтоцемента. Бурение скважины производится вращательным способом с промывкой технической водой. Инъектирование цементного раствора производится при подъеме  монитора с вращением. Начальный диаметр струи определяется диаметром насадки монитора и, как правило, находится в пределах 2-4 мм. Давление инъектирования для осадочных грунтов Санкт-Петербурга изменяется в пределах 20 – 50  МПа и определяется прочностью грунтов и требуемым диаметром грунтоцементной сваи. По числу компонентов в струе в Санкт-Петерубрге применяются два вида технологии струйной цементации грунтов.

       а) Однокомпонентная (Jet1)  - струей цементного раствора. Состав раствора: вода цемент, добавки. Цементный раствор к соплу монитора, как правило, поступает по центральному каналу колонны бурильных труб.

      б) Двухкомпонентная (Jet2) -  струей, состоящей из воздуха и цементного раствора.

        Цементный раствор к соплу монитора, как правило, поступает по центральному каналу, воздух – по кольцевому зазору колонны бурильных труб.

        Схема скважинных процессов при инъектировании цементного раствора, предложенная автором, приведена на рис.5. В результате инъектирования цементного раствора в массиве грунтов создается зона (полость), заполненная грунтоцементным раствором (суспензией). Основными физическими процессами при инъектировании цементного раствора являются:

        а) гидравлическое разрушение (резание) забоя и перемешивание грунтов в месте залегания напорными струями цементного раствора;

        б) вынос пульпо-шлама по скважине вдоль колонны бурильных труб на поверхность земли

 

          

       

        Рис.4. Технологическая схема струйной цементации

а – бурение скважины; б – инъектирование цементного раствора; в – твердение грунтоцементного раствора

1 – грунт; 2 – буровая установка; 3 – буровой снаряд; 4 – скважина; 5 – забойная компоновка (породоразрушающий инструмент и монитор); 6 – струя; 7 – грунтоцементный раствор; 8 – грунтоцементный массив

 

        Ниже автор делает попытку теоретического описания процессов струйной цементации на основе известных теорий разрушения горных пород напорными струями, гидравлической теории затопленной струи и собственных экспериментальных данных.

        Под струей понимается конечный поток жидкости, не ограниченный твердыми стенками и движущийся в массе жидкости. При струйной цементации струя выбрасывается в массив жидкого грунтоцементного раствора, что позволяет применить к ней теоретические положения гидравлики затопленной струи [1].  Струя цементного раствора состоит из ядра с постоянной скоростью движения и пограничного турбулентного слоя (рис.5). Отличия в характере движения и затухания струи цементного раствора от классической теории затопленной струи заключаются  в выполнении работы по разрушению грунта. По мере удаления от форсунки пограничный турбулентный слой расширяется, а ядро постоянных скоростей сужается. На некотором расстоянии от форсунки находится переходное сечение, где ядро полностью исчезает и вся струя начинает состоять из турбулентного слоя. Участок от насадка до переходного сечения называют начальным, затем начинается основной участок. На основном участке осевая скорость уменьшается по длине струи.  Затухание струи определяется расходом энергии на разрушение забоя и рассеиванием за счет турбулентного обмена с окружающей средой. По мере отхода от насадки струя постепенно расширяется и на некотором расстоянии рассеивается. 

 

      

 

        Рис.5. Схема скважинных процессов при инъектировании цементного раствора

 

        Скорость разрушения грунта высоконапорной струей и, одновременно, инъектирования цементного раствора определяется  свойствами грунта (прочность, вязкость и др.) конструкцией монитора (число форсунок, диаметр выходного отверстия форсунки, разнос форсунок по высоте, направление оси форсунки) и технологическими параметрами (физическими свойствами цементного раствора, давлением инъектирования, частотой вращения и скоростью подъема монитора). Чем выше давление инъектирования и меньше выходное отверстие насадки – тем больше скорость вылета струи. Скорость вылета струи из насадки достигает несколько сот метров в секунду и определяет давление на пятне контакта с грунтом. Давление на пятне контакта струи с грунтом достигает нескольких десятков мегапаскаль и превышает прочность грунта, тем самым обеспечивается отделение частиц грунта и разрушение забоя.  Наиболее эффективными для разрушения грунтов является начальный и основной участки струи, так на них обеспечивается сплошность и сохраняется достаточная энергия струи.  После основного участка сплошность струи нарушается и возможность разрушать грунт резко уменьшается.

        Грунтоцементный раствор (суспензия) состоит из вяжущего материала (цемента), воды, специальных добавок и частиц грунта. Частицы грунта в растворе можно рассматривать как природные заполнители. Процент от общего объема грунтоцементного раствора, занимаемый заполнителем зависит от свойств грунта и технологии инъектирования и может изменяться в широких пределах (по наблюдениям автора от 5 до 80%). Размеры заполнителя изменяются от десятков микрон (частицы глины) до десятков сантиметров (гравий, галька, валуны). Несомненно, что условия подземного пространства (массива грунтов), в которых происходит твердение грунтоцементного раствора (давление, температура, влажность, воздействие грунтовых вод и др.) оказывают влияние на сроки созревания и прочность грунтоцемента. Однако, очевидно и то, что химические реакции, протекающие в цементном растворе в атмосферных условиях и грунтоцементном растворе в массиве грунтов, определяются одними основными составляющими (цементом и водой) и, в целом, идентичны. Вначале происходит схватывание цемента. В результате вокруг частицы цемента образуются гелеобразные  коллоидные оболочки, а цементный раствор густеет и теряет пластичность. Химические реакции схватывания цемента сопровождаются повышением температуры (рис.6). После схватывания происходит твердение цементного раствора. Вещества в гелеобразных оболочках из коллоидного состояния постепенно переходят в кристаллическое состояние (кальцит). Разрастаясь, кристаллы пронизывают гель и срастаются между собой. Оставшаяся вода проникает вглубь частицы цемента, где также начинаются процессы гелеобразования и кристаллизации, а цементный раствор постепенно затвердевает и приобретает прочность. Аналогично бетонам, процесс твердения и набора прочности грунтоцемента протекает во времени с различной скоростью: сначала (первые 3-7 дней) быстро, затем все медленнее.

 

 

                                         а                                                                                     б                                                                       в

                 

       

 

Рис. Схема изменений в грунтовом массиве при струйной цементации (а), гидроразрыв пласта при струйной цементации на площадке строительства Второй сцены Мариинского театра, 2008г. (б) и автор на забое скважины диаметром 1 м и глубиной 10 м при отборе образцов из грунтоцементной плиты в испарениях от нагретого массива  на площадке Второй сцены Мариинского театра в Санкт Петербурге, 2008г. (в).

 

 

 

    2. ПРОБЛЕМЫ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА СТРУЙНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ ГРУНТОВ

 

        Устройство грунтоцементного массива с заданными характеристиками является сложной задачей в силу недостаточности информации для проектирования, многостадийности технологического процесса, изменчивости свойств грунтов по площади работ и влияния человеческого фактора.

        Термин “качество устройства грунтоцементных массивов” можно определить как обеспечение совокупности проектных характеристик грунтоцементного массива (размеров, сплошности, фильтрационных свойств, прочностных и деформационных свойств грунтоцемента и др.) в естественном залегании.

         Контроль грунтоцементного массива в естественном залегания необходимым прежде всего тем, кто не хочет ликвидировать аварии или покупать неправильно измененный грунтовый массив.

         С точки зрения автора, рациональными показателями качества устройства грунтоцементного массива являются:

        1. Размеры (интервал залегания, распространение в плане).

        2. Прочностные и деформационные свойства грунтоцемента (прочность на сжатие, модуль деформации - упругости).

        3. Фильтрационные свойства (для противофильтрационных завес).

         В настоящее время сложилась комплексная система контроля качества производства работ по струйной цементации грунтов включающая:

        а) входной контроль поступающих материалов;

        б) оперативный контроль за процессом производства работ;

        в)  контрольные работы по оценке качества грунтоцементного массива;

        г) приемку участка струйной цементации

           Входной контроль поступающих материалов заключается в проверке соответствия характеристик материала (цемента, добавок, воды) требованиям проектной документации, наличия в сопроводительной документации сертификатов соответствия,  проверке соблюдения требований транспортировки, разгрузки и хранения. 

           Оперативный контроль за процессом производства работ состоит в проверке соответствия работ карте операционного контроля. Контролю подлежат: правильность расположения (нумерации и разбивки) скважин, очередность процессов бурения и инъектирования; вертикальность расположения бурового снаряда,  глубина погружения монитора в скважину (по разметке на мачте буровой установки),  визуальный  контроль струи воды на поверхности перед забуриванием (компактность, непрерывность, дальность вылета), консистенция цементного раствора, соответствие технологических параметров инъектирования проектным рекомендациям (расход раствора, давление нагнетания, скорость подъема и вращения монитора и другие параметры – по приборам);  исправность бурового, смесительного и нагнетательного оборудования и приборов и соответствие его требованиям производства работ, полнота и достоверность записей в журналах работ  и  испытаний грунтоцементного материала, оформление актов на скрытые работы, контроль прочностных и деформационных характеристик цементного камня из “изливов”. Оперативный контроль осуществляется ежесменно производителем работ и выборочно технической инспекцией. 

            Как можно заметить, для входного и оперативного  контроля используется органолептический метод, основанный на использовании человеческих органов чувств (в основном зрения). К сожалению человек,  может не заметить нарушение технологии, поэтому подобный контроль субъективен и имеет неконтролируемую погрешность.

           Контрольные работы по оценке качества грунтоцементного массива после завершения струйной цементации направлены на определение соответствия характеристик грунтоцементного массива проектной документации. Основные проблемы контроля качества грунтоцементного массива возникают именно при приемке на стадии контроля характеристик массива в естественном залегании.

             Вращательное колонковое бурение скважин диаметром 112-132 мм c последующим лабораторным испытанием кернов грунтоцемента на одноосное сжатие еще три года назад являлось в проектной документации основным способом контроля качества грунтоцементных массивов. Однако не учитывалось, что грунтоцемент значительно менее прочен и однороден чем бетон и что в одинарных колонковых снарядах керн не защищен от контакта с вращающейся и вибрирующей керноприемной трубой и подвергается истиранию и дроблению. Отобрать то керн можно, но он в большинстве случаев будет мало пригоден для определения прочностных и деформационных свойств грунтоцемента. На каждом объекте автор занимался описанием полученного керна грунтоцемента и сделал вывод, что керн повреждается в колонковой трубе как при бурении  всухую,  так и с промывкой. Образцы  керна, за исключением наиболее прочных разновидностей грунтоцемента  с прочностью на одноосное сжатие более 4- 6 МПа, после  извлечения  из колонковой трубы имели  нарушенную структуру и многочисленные продольные и поперечные трещины не естественного происхождения.  Последующие  испытания  грунтоцемента на одноосное сжатие по методикам ГОСТ 28570-90 и ГОСТ 10180-90 (с  торцеванием образцов или выпиливанием призм, что также повреждало образец) давали явно заниженные значения прочности и модуля деформации, после этого  начинались конфликты между заказчиком и подрядчиком работ. 

        Более объективная оценка прочностных и деформационных свойств  грунтоцемента получалась при  отборе  монолитов ненарушенной структуры размером не менее 200х200 см при бурении большим диаметром 0,8 – 1 м или из обнажений стен и забоя выработки. Но бурение скважин большого диаметра является крайне дорогостоящим методом, а отбор проб из обнажений после проходки, как правило, лишен смысла.

            Интересно, что и в 2015г. проектные организации повторяют те же ошибки закладывая основными методами контроля грунтоцементного массива в естественном залегании колонковое бурение и испытание керна на одноосное сжатие. Так на одном крупном объекте в Санкт-Петербурге проектировщик "наступил на те же грабли" запроектировав бурение и испытания кернов на сжатие в качестве основных методов контроля. Отобрать керн из краевых зон грунтоцементной сваи зон не удалось и возник вопрос "а была ли там струйная цементция?".

            Решением проблемы контроля качества грунтоцементных массивов в естественном залегании, по мнению автора, является использование неразрушающих геофизических методов.

 

    

         3. ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ СПЛОШНОСТИ ГРУНТОЦЕМЕНТНЫХ МАССИВОВ В ЕСТЕСТВЕННОМ ЗАЛЕГАНИИ

 

        Геофизические методы предназначены для получения информации о состоянии объекта в естественном залегании, но каждый из методов, в зависимости от типа физического поля, параметров излучения и мешающих факторов, имеет свою и достаточно узкую область применения.

        Из многочисленных геофизических методов исследований для контроля сплошности грунтоцементных массивов (плит, противофильтрационных завес, свай и др.) наибольшее развитие получили акустические (сейсмоакустические) методы. Физической основой использования акустических методов является зависимость изменения параметров упругой волны от упругих, деформационных, прочностных свойств и трещиноватости среды распространения [2, 3]. Другие методы исследований, например электромагнитные с помощью георадара, по мнению автора, практически не применимы из-за физических особенностей песчано-глинистых грунтов и грунтоцемента и большого числа мешающих факторов. Использование электромагнитных методов (георадара) с поверхности грунтва оказалось неэффективным из-за ограничения по глубине исследований (до 3 м) вследствие большого затухания электромагнитных волн в глинистых грунтах, содержащих “связанную” воду, и искажения сигнала в поверхностном слое земли. Следует также отметить неконтролируемую погрешность георадара при измерении расстояний на малых базах (10-30 м) за счет очень высокой скорости распространения электромагнитной волны (300 000 000 м/с).

        Автор в 2003-2005г.г. был участником ряда сравнительных экспериментов по использования различных геофизических методов (акустических, электрических, георадарных) для контроля состояния грунтоцементных массивов, которые однозначно показали преимущество акустических скважинных методов (межскважинное прозвучивание, акустический каротаж) за счет изменений в параметрах  упругих волн, распространяющихся в грунтовом массиве после струйной цементации. Преимущество скважинных методов заключается в возможности максимально приблизиться к объекту исследований и исключить потерю информации в поверхностном слое земли [4].

        Возможные схемы исследования грунтоцементных массивов акустическими методами (межскважинным прозвучиванием, сейсмоакустическое зондированием, каротаж, прозвучивание между ззабоем наблюдательной скважины и поверхностью грунта) приведены на рис.7.  Наиболее информативны и достоверны методы прозвучивания.

 

 

 

   

 Рис. 7.  Схема акустического контроля сплошности грунтоцементных массивов в естественном залегании

а - межскважинное акустическое просвечивание (прозвучивание) грунтоцементных массивов различной формы, плит, противофильтрационных завес; б - акустический каротаж грунтоцементных свай; в - прозвучивание грунтоцементных свай между забоем наблюдательной скважины и поверхностью грунта;  г -сейсмоакустическое зондирование грунтоцементных свай.

И - излучатель; П - приемник упругих волн

 

        

         Суть метода прозвучивания заключается в излучение импульса упругой  волны (УВ) в одной скважине (точке), приеме импульса УВ в другой скважине (точке) и оценке состояния среды межскважинного пространства по параметрам импульса УВ (рис.7а). 

        Метод акустического каротажа (рис.7б) с перемещением излучателя и приемника упругих волн в наблюдательной скважине  можно также отнести к методам прозвучивания. Акустический каротаж в скважине пробуренной по оси грунтоцементной сваи в настоящее время является основным методом контроля сплошности грунтоцемента и качества грунтоцементной сваи в естественном залегании.

         При выходе грунтоцементной сваи на поверхность грунта метод акустического каротажа дополняется методом прозвучивания между забоем наблюдательной скважины и поверхностью грунта (рис.7в).

         Метод сейсмоакустического зондирования (рис.7г) может реализоваться только на грунтоцементных свая с высокой прочностью и однородностью грунтоцемента. При наличии выраженной слоистости (неоднородности) грунтоцемента в свае возможность регистрации эхо-сигнала от низа сваи резко уменьшается.

 

        4. Метод межскважинного акустического просвечивания (прозвучивания) ударным импульсом ООО "Геодиагностика"       

       

        4.1. Технические особенности межскважинного акустического просвечивания ударным импульсом   ООО “Геодиагностика”

        ООО “Геодиагностика” продолжает развивать метод межскважинного  акустического просвечивания  (МАП), разработкой которого  с 60-х годов 20 века и вплоть до своей гибели в 2003г. занимался Всероссийский НИИ методики и техники разведки (ВИТР). Основные отличия метода межскважинного  акустического просвечивания  в модификации ВИТР - ООО “Геодиагностика” заключаются в возбуждении среды коротким (длительность десятки микросекунд) и очень мощным ударным импульсом давления от электроискрового излучателя  и регистрации упругих волн высокочувствительным пьезокерамическим приемником давления, что позволяет обеспечить большую дальность прозвучивания  и высокое разрешение во времени и пространстве. Параметры импульса (мощность, звуковое давление, спектр) упругой волны оптимальны для исследования грунтоцемента.

        Для основных типов грунтоцементных ограждений и свай в ООО "Геодиагностика" составлены таблицы диагностических признаков состояний, позволяющих на основе сочетания диагностических параметров (скорости упругой волны, акустического спектра, коэффициента затухания и др.) определять состояние объекта (сплошность, неоднородность, наличие дефектов).

        Контроль прочности модуля деформации (упругости) грунтоцемента производится на основе градуировочных зависимостей “скорость упругой волны – прочность на одноосное сжатие” и “скорость упругой волны – модуль деформации (упругости)”.

        Применение технологий регламентируется действующими нормативно-техническими документами (СП, ВСН, МУ) на контрольные работы сейсмоакустическим методом и МВИ 2520 – 018 - 2008Методика выполнения измерений ударного ускорения при контроле сплошности бетонных,  грунтобетонных и ледогрунтовых свай и массивов методами импульсного акустического зондирования и прозвучивания”.

       

          4.2. Физические основы метода прозвучивания

        Физической основой применения метода межскважинного акустического просвечивания (прозвучивания) для расчленения геологического разреза и контроля сплошности массивов искусственных грунтов является установленная многочисленными исследованиями зависимость параметров проходящих упругих волн от упругих, деформационных, прочностных свойств и пористости естественных и искусственных грунтов [2, 3, 4].

       При искусственном закреплении (струйной цементации, кольматации глино-цементными смесями, замораживании, замещении бетоном и др.) в результате механического воздействия, физических процессов и химических реакций происходит изменение свойств естественных грунтов. Причем физические процессы для каждой технологии закрепления грунтов уникальны.  

        Грунты являются трехкомпонентными веществами, состоящими из минерального скелета, воды и воздуха. Вода в грунтах находится в свободном и связанном состоянии. Воздух, заполняет поры в грунтах. При струйной цементации происходит разрушение и перемешивании грунтов в месте залегания струями цементного раствора с замещением естественного грунта вначале грунто-цементным раствором, а после затвердевания грунтоцементного раствора – новым материалом “грунтоцементом” (грунтобетоном). После закрепления упругие свойства грунтов и условия распространения упругих волн изменяются. По мере распространения от точки возбуждения происходит изменение кинематических (скорости)  и динамических (амплитуды, частоты) параметров упругой волны. Очевидно, что параметры упругой волны, прошедшей сквозь  массив искусственных грунтов будут отличаться от параметров упругой волны, распространяющейся в массиве неизмененных грунтов

            При наличии в исследуемом массиве зоны несплошности (пористости, трещиноватости) на пути распространения упругой волны возникает явление “акустической тени”, выражающееся в резком уменьшении скорости, амплитуды и частоты импульса упругой волны. Физика явления “акустической тени” базируется на процессах отражения упругой волны на границе раздела дефект - массив грунт и огибании (дифракции) упругой волны препятствия  с увеличением пути распространения. Скорость распространения упругой волны связана с прочностными свойствами грунтоцемента. Зависимость скорости  распространения упругой волны от прочности и пористости материала и возникновение явления “акустической тени” при появлении дефектов и является физической основой для контроля состояния массивов искусственных грунтов методом прозвучивания. 

        В целом общие зависимости изменения свойств грунтов при струйной цементации в настоящее время понятны. При застывании грунто-цементного раствора образуется более прочный грунт. Но состояние грунтоцементного массива (размеры, сплошность, прочность, гидроустойчивость) в конкретный момент времени и точке пространства из-за многочисленных факторов, влияющих на  твердение грунто-цементного раствора (водоцементное отношение, равномерность перемешивания, наличие движения грунтовых вод и др.) можно определить только путем измерений физических величин в контуре массива в естественном залегании.

 

           4.3. СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА состояния грунтов МЕТОДОМ межскважинноГО акустическоГО просвечивании (прозвучивании)

4.3.1 Диагностические параметры

Диагностические параметры - это измеряемые величины: скорость распространения (время прихода), амплитуда звукового давления и спектр импульса упругих волн, прошедшего массив грунтов (рис.9). В параметрах прямой проходящей продольной волны (сигнале)  присутствует информация о свойствах и состоянии грунта. Основной диагностический параметр – скорость продольной упругой волны vр. Определение (косвенное измерение) скорости УВ vр (м/с) производится по измеренным значениям расстояния L между точками возбуждения и приема и времени распространения упругой волны t  по формуле:

                                                                                                        vр = L/ t     .

Измерение амплитуды импульса упругой волны производится непосредственно на сигналограммах в вольтах и затем переводится в единицы звукового давления (Па) по характеристике чувствительности скважинного приемника.

Расчет спектра производится в программе цифровой обработки сигналов методом быстрого преобразования Фурье (БПФ). Параметры БПФ выбираются исходя из параметров записи.

Предварительная оценка спектра производится по видимой частоте импульса упругих волн fв  (Гц). Видимая частота fв  (Гц) импульса рассчитывается на основе измеренного значения длительности первого отрицательного (положительного) полупериода tв=T/2  по формуле:                                                                     fв = 1 / (2. tв)     .

 

а                                                                                     б

  

 

Рис. 8. Диагностические параметры метода прозвучивания

а - параметры первого вступления импульса продольной упругой волны; б – спектр  импульса упругой волны

t – время прихода упругой волны, мс, А – амплитуда звукового давления , Па, T/2 – длительность полупериода упругой волны, мс

 

 

 4.3.2. Диагностические признаки состояния грунтоцементного массива

Диагностические признаки -  это определенная совокупность диагностических параметров, увязанная с конкретным состоянием искусственного грунта, в данном случае грунтоцемента. Состояние  грунта характеризуется определенным сочетанием параметров импульса упругой волны (диагностическим признаком), что позволяет точно диагностировать местоположение прослоя грунта в разрезе.

В 2003 г., когда только начиналось внедрение струйной цементации в Санкт-Петербурге, о свойствах грунтоцемента было практически ничего не известно.  На первых объектах: грунтоцементном ограждении ствола №4 Резервного коллектора в районе площади Мужества и грунтоцементных сваях на Лоте 1 Кольцевой автодороге приходилось по крупицам собирать информацию о грунтоцементе для увязывания с результатами акустического просвечивания и каротажа. Отбирались и изучались характерные и редкие образцы грунтоцемента. Накапливалась статистика и исследовались зависимости между свойствами грунтоцемента, свойствами грунтов и технологией струйной цементации.

В ООО “Геодиагностика” уже накоплен достаточно большой объем производственных данных по изменению скорости упругой волны в различных грунтах при струйной цементации. До искусственного закрепления грунтов скорость упругой волны в слабых  грунтах (текучих и мягкопластичных суглинках и супесях, водонасыщенных песках)  не превышает 1750 м/с, а после струйной цементации увеличивается и может достигать 3000 м/с.

В общем случае, после струйной цементации слабых текучих и водонасыщенных грунтов спектр импульса упругой волны сужается в сторону низких частот, по сравнению со спектром импульса упругих волн, распространяющимся по неизмененным грунтам (рис. 9 и 10). Слабо укрепленные или незамещенные зоны выделяются по пониженным значениям скоростей упругих волн. Увеличение скорости упругой волны указывает на рост прочности и однородности закрепленного массива. Уменьшение скорости, амплитуды и частоты упругой волн в уже закрепленном массиве связано с затуханием и вызывается неоднородностью, разуплотненностью, пористостью грунтов. Наличие зоны несплошности диагностируется по резкому уменьшению скорости, амплитуды и частоты упругой волны  (вплоть до пропадания сигнала) по лучам прозвучивания, пересекающим тело закрепленного массива.

Для определения градуировочых зависимостей на сжатие были испытаны сотни образцов грунтоцемента с предварительно измеренной скоростью упругой волны. В результате были установлены градуировочные зависимости “скорость упругой волны –  прочность грунтоцемента” и “скорость упругой волны –  модуль деформации грунтоцемента”, по которым можно определять прочность и модуль деформации искусственных грунтов в естественном залегании.

На основе длительного опыта контроля сплошности грунтоцементных ограждений и свай в ООО "Геодиагностика" сформирована таблица диагностических признаков, позволяющая на основе сочетания диагностических параметров (скорости упругой волны, акустического спектра, коэффициента затухания и др.) определять состояние ограждения (сплошность, неоднородность, наличие дефектов). Контроль прочности и модуля деформации (упругости)грунтоцемента  производится на основе градуировочных зависимостей “скорость упругой волны – прочность на одноосное сжатие” и “скорость упругой волны – модуль деформации ”

Применение метода прозвучивания при контроле сплошности грунтоцементных массивов регламентируется действующими нормативно-техническими документами ВСН 34-83 “Цементация скальных оснований гидротехнических сооружений” (согласованы с Госстроем СССР, письмо №ДП-903-1 от 17.02.83г.), МВИ 2520 – 018 - 2008Методика выполнения измерений ударного ускорения при контроле сплошности бетонных,  грунтобетонных и ледогрунтовых свай и массивов методами импульсного акустического зондирования и прозвучивания” и др..

 

 

        

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.9. Сигналограммы  импульса упругой волны в текучем грунте                               Рис. 10. Спектры импульса упругой волны в текучем грунте

до струйной цементации (а) и после струйной цементации                                         до струйной цементации (а) и после струйной цементации

в грунтоцементе (б)                                                                                                             в грунтоцементе (б)

 

К 2008г. специалисты ООО “Геодиагностика” уже накопили достаточно большой объем производственных данных по изменению параметров импульса упругой волны от свойств естественных и искусственных грунтов, что позволяло точно диагностировать состояние и местоположение грунта в геологическом разрезе. При диагностировании состояния грунтоцемента мы оперировали зависимостями между спектром импульса упругой волны до и после струйной цементации (рис.9,10), скоростью упругой волны и прочностью грунтоцемента на сжатие (рис. 11) , скоростью упругой волны и временем созревания грунтоцемента (рис. 12) .

 

                            

 

Рис.11.  Зависимость между скоростью упругой волны и                                                 Рис. 12.  Зависимость между скоростью упругой волны и

прочностью грунтоцемента на сжатие (2007г.)                                                                   и временем созревания грунтоцемента (2007г.)

 

 

Конечным результатам исследований стала таблица, содержащая перечень состояний естественных и искусственных грунтов и соответствующих им диагностических признаков.

 

          5. Аппаратура для контроля сплошности грунтоцементных массивов методами межскважинного акустического просвечивания (прозвучивания), сейсмоакустического каротажа и сейсмоакустического зондирования

 

         Технические средства и методики акустического просвечивания (прозвучивания) в СССР разрабатывались в крупных научных организация Всероссийский НИИ методики и техники разведки ВИТР (Ленинград), Казахский филиал ВИРГ НПО “Геофизика” (Алма-Ата) и ВНИИЯГГ (Москва).  

          В ООО “Геодиагностика” разработан компьютеризированный аппаратурный комплекс импульсного акустического просвечивания и зондирования АПЗ-1. (рис.13).  Аппаратурный комплекс АПЗ-1 предназначен для  измерения времени распространения, амплитуды и частоты импульса упругих волн в горных породах между излучателем и приемником с целью определения упругих характеристик среды.

        В состав аппаратурного комплекса АПЗ-1 входят:  источник возбуждения упругой волны (излучающая установка или молоток)  и измерительная система (скважинный приемник или вибропреобразователь, усилитель и комплекс программно-аппаратных средств на базе персонального компьютера). Запуск программы командного режима измерений осуществляется от прямой проходящей упругой волны или в момент электроискрового разряда. Отличительными особенностями аппаратуры  ООО “Геодиагностика” является включение в состав комплекса персонального компьютера с программами математической обработки сигналов и наличие метрологического обеспечения.

        Метрологическое обеспечение. Аппаратурный комплекс АПЗ-1 калибруется Всероссийским НИИ метрологии им. Д.И.Менделеева и имеет сертификат калибровки средства измерения. Основная относительная погрешность измерения АПЗ-1: времени   +3 %; виброускорения   +10 %;  частоты колебаний +2 %          Дальность акустического просвечивания (прозвучивания) по рыхлым грунтам (пескам, супесям) составляет не менее 20 м, по скальным грунтам (гранитам) - достигает 150 м. Глубина зондирования по скальным грунтам и бетонам - до 50 м. Разрешающая способность при акустическом просвечивании грунтов на базе 10 м  + 0,5 м. Погрешность определения длины сваи  методом сейсмоакустического зондирования 5%.

            В зависимости от способа возбуждения упругой волны и характера решаемых задач выбираются комплектации аппаратурного комплекса АПЗ-1.

 

      

 

      

 

 Рис.13 . Аппаратурный комплекс акустического просвечивания и зондирования АПЗ-1

 

 

       

         6. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПРИМЕРЫ КОНТРОЛЯ СПЛОШНОСТИ ГРУНТОЦЕМЕНТНЫХ МАССИВОВ методами межскважинного акустического просвечивания (прозвучивания), сейсмоакустического каротажа и сейсмоакустического зондирования

           

       

  6.1 Контроль сплошности грунтоцементных свай методом сейсмоакустического каротажа на кольцевой автодороге и Западном скоростном диаметре в Санкт-Петербурге

 

Типовые схемы исследования, фото объектов работ и результаты  исследований грунтоцементных свай методами акустического каротажа и прозвучивания  приведены на рис.18-20 . 

 

 Рис. 18. План участка работ на кольцевой автодороге с отметками контрольных грунтоцементных свай

 Рис.  19. Схема акустического контроля сплошности грунтоцементных свай

а - акустический каротаж грунтоцементных свай; б - прозвучивание грунтоцементных свай между забоем наблюдательной скважины и поверхностью грунта; 

 

                                            

 

 

 

      

 

 

Рис.20. Проведение контроля сплошности грунтоцементных свай на Кольцевой автодороге вокруг Санкт-Петербурга (2003-2004 г.г.)

а - общий вид; б - устье наблюдательной скважины в свае; в - оператор за работой

 

 

6.2 Сейсмоакустическое зондирование грунтоцементных свай

 

        По наблюдениям автора, метод сейсмоакустического зондирования (рис.7г) может реализоваться только на грунтоцементных сваях с высокой прочностью и однородностью грунтоцемента. При наличии выраженной слоистости и неоднородности грунтоцемента, особенно вверхней части сваи, возможность регистрации эхо-сигнала от низа сваи резко уменьшается. В то же время при монолитном и однородном грунтоцементе уверенно фиксируется эхо-сигнал от низа сваи.

 

 

 

 

6.3 Контроль сплошности грунтоцементного ограждения ствола шахты №4 Резервного коллектора в районе площади Мужества методом межскважинного акустического просвечивания (прозвучивания)

 

 

Рис.. Грунтоцементное ограждение, устроенное ЗАО "СМУ-11 Метрострой"в 2003-2004 гг. по проекту ОАО “НИПИИ "Ленметрогипротранс” для проходки ствола №4 Резервного коллектора в районе площади Мужества

 

 

 

          Для исследования используются наблюдательные колонки (скважины) в которых перемещаются излучатель и приемник упругих волн.

          Системы наблюдений и схемы прозвучивания грунтоцементных массивов разрабатываются исходя из поставленных задач.

         Типовые схемы исследования грунтоцементных массивов, фото объектов работ и результаты межскважинного акустического просвечивания (прозвучивания) приведены

 на рис.14-17 . 

 

 

 

 

 

Рис. 14. Схемы прозвучивания цилиндрического грунтоцементного ограждения (а) и грунтоцементного днища (б) в плане

 

 

 

 

 

 

Рис. 15.  Схемы прозвучивания грунтоцементного массива по шлубине

а - синхронная; в - веерная (межскважинная томография); 

 Рис. 16. Графики изменения скорости упругой волны по разрезу (стенам) грунтоцементного ограждения ствола №4 в сентябре (а) и после дополнительной струйной цементации в ноябре (б) 2003г. между скважинами

1 – скв.1 и 2; 2 – скв.2 и 3; 3 – скв.3 и 4; 4 – скв.4 и 5; 5 – скв.5 и 6; 5 – скв.6 и 1.

 

 

 

6.2 Контроль сплошности грунтоцементной плиты котлована здания второй сцены Государственного академического Мариинского театра

 

Основными техническим решениями ООО “Космос СПб” по технологии струйной цементации для формирования грунтоцементной плиты в основании здания второй сцены Государственного академического Мариинского театра стали:

- применение технологии "Jet-1";

- проектный диаметр грунтоцементного элемента 0,7 м;

 - расстояния между центрами свай в ряду 0,6 м и между рядами свай 0,52 м;

расход  материалов на 1 погонный метр сваи: портландцемент ПЦ 500 ДО ~350 кг, добавка КДСЦ  ~8,75 кг, вода ~ 245 - 280 л.

- число форсунок монитора (направление в горизонтальной плоскости через 180 град) - 2 шт.

 - диаметр форсунок - 2,5 м (?);

- параметры струйной цементации: скорость подъема монитора 0,3 – 0,4 м/мин, частота вращения монитора ~ 20 мин-1; давление нагнетания раствора 30-40 МПа.

 

 

 

                      

 

Рис. Схема струйной цементации при  формировании грунтоцементной плиты в основании котлована строящегося здания Второй сцены Мариинского театра в плане в зоне 3 (а) и по глубине (б).

 

 

 

                         а                                                      б                                                        в

                          

 

 

Рис  Струйная цементация грунтов ООО “Космос СПб” на площадке строительства Второй сцены Мариинского театра  

а - участок с разметкой флажками точек бурения; б -  буровые установки струйной цементации на площадке строительства; в - оператор буровой установки струйной цементации

 

Для контроля характеристик грунтоцементной плиты до начала откопки котлована по предложению автора в технологический регламент струйной цементации было заложено два сейсмоакустических метода исследований: межскважинное акустическое прозвучивание (просвечивание) и акустический каротаж (рис  ). 

 Межскважинное акустическое прозвучивание (МАП) – метод исследования грунтов, залегающих между скважинами, на основе параметров импульса упругой волны, прошедшего межскважинное пространство. При реализации межскважинного прозвучивания в одной скважине возбуждается упругая волна, в другой принимается, а состояние грунтов определяется по изменению параметров регистрируемого импульса упругой волны.

Схему межскважинного прозвучивания грунтоцементной плиты в плане после раздумий определяли органы технического надзора Дирекции исходя из собственных представлений о локализации зон несплошности путем указания точек бурения наблюдательных скважин (рис.   ).  Схема прозвучивания по глубине: синхронная, с одновременным параллельным перемещением скважинных приборов, размещенных в соседних наблюдательных скважинах, от глубины 1 м вниз до конечной глубины скважины с шагом 0,5-1 м  (рис.   ). Синхронная схема прозвучивания оптимальна для слоистых грунтов Санкт-Петербурга и сред с вертикальным градиентом изменения свойств, так как позволяет зарегистрировать неискаженное первое вступление упругой волны и уменьшить методическую погрешность определения границ раздела слоев грунта. При выявлении в грунтоцементной плите зоны с аномально низкими скоростями упругих волн (зоны несплошности) для дальнейшей ее локализации в межскважинном пространстве планировалось использовать веерные схемы наблюдения с большим числом разнонаправленных лучей и построением томографического изображения межскважинного пространства  по алгоритму и программному обеспечению, разработанному ООО “Геодиагностика”. Зоны несплошности предполагалось устранять дополнительной струйной цементацией.

Акустический каротаж (АК) – метод исследования грунтов, залегающих в околоскважинном пространстве между точками возбуждения и приема упругой волны. Возбуждение и прием упругой волны при акустическом каротаже производится в одной скважине и импульс упругой волны  распространяется вдоль ствола скважины. При акустическом каротаже: излучатель и приемник, размещенные в одной скважине и разнесенные по глубине на 2 м, синхронно перемещались от забоя вверх с шагом 0,5 м.

Методы межскважинного прозвучивания и акустического каротажа дополняли друг друга, но за счет возможности исследовать значительный объем массива грунтоцемента между скважинами метод прозвучивания являлся основным источником информации о сплошности грунтоцементной плиты.

 

 

 

Рис.  . Методы сейсмоакустических исследований грунтоцементной плиты: межскважинное акустическое прозвучиание (а) и акустический каротаж (б)

1 - массив естественных грунтов; 2 - грунтоцементная плита, 3 - наблюдательная скважина; 4 - излучатель упругих волн; 5 - автомашина с аппаратурой;  6 - приемник упругих волн; 7 - направление распространения упругой волны.

 

            Рис. Схема межскважинного акустического прозвучивания грунтоцементной            плиты Второй сцены Мариинского театра в 2008г.

 

 

 

                         а                                                         б                                                           в

             

 

                           г                                                        д                                                           е

                    

 

 

Рис  Проведение сейсмоакустических исследований на площадке строительства Второй сцены Мариинского театра  

а - бурение наблюдательной скажины 22 марта 2008г. ООО “СУ-299”  (Буровой мастер Алексей Вячеславович Поляков (слево) и главный геолог ООО “Космос СПб” Дубовой В.А.); б - подготовка излучателя и премника упругих волн на поверхности; в - спуск излучателя и приемника упругих волн в скважины; г - общий вид участка работ; д - генератор импульсов тока; е - комплекс програмно-аппаратных средств  аппаратуры АПЗ-1

 

 

 

 

            Геологический разрез на исследованных участках струйной цементации  оказался идентичен и по комплексу сейсмоакустических признаков был разделен по глубине на следующие части (отсчет от поверхности грунта).

        0 - 8,5 м - измененный и частично-замещенный грунтоцементом грунт;

        8,5 - 11,75 м- грунтоцемент с включением грунта;

       11,75 - 14,55 м (9,05 - 11,55 м в БСВ) - монолитный грунтоцемент;

        Ниже 14,55 м - грунт.

   

 

  

 

 

   

        

Рис  График зависимости скорости упругой волны от глубины до (1) и после (2) струйной цементации в зоне 2 (ОП-2) между скважинами 474 и 1179 (база измерения 6,4 м, дата исследований 22.03.2008) 

 

        Итервал залегания грунтоцементной плиты проконтролирован по результатам межскважинного прозвучивания и акустического каротажа по изменению скорости упругой волны по глубине. В интервале проектных глубин струйной цементации скорость упругой волны по данным МАП изменялась в пределах 2093-2927 м/с, соответствовала грунтоцементу и значительно превышала скорость упругой волны в естественных грунтах, что указывало на обеспечение при строительстве проектной высоты грунтоцементной плиты. 

 В интервале залегания грунтоцементной плиты зон с пониженными скоростями упругой волны, соответствующими естественным  грунтам, не выявлено, что указывало на наличие сплошности в грунтоцементной плите.  Диапазон изменения скорости упругой волны указывал на незначительную структурную неоднородность.

Прочность материала плиты (грунтоцемента) была определена по данным межскважинного прозвучивания по градуировочной зависимости “прочность -  скорость упругой волны”.  Расчетная прочность грунтоцемента изменялась в пределах 4,02-16,6 МПа (табл      ).

   Модуль деформации материала плиты (грунтоцемента) был определен по данным межскважинного прозвучивания по градуировочной зависимости  “прочность грунтоцемента σ – модуль деформации Е ” вида Е= k х σ,  где k= 100, установленной по результатам сейсмоакустических, прочностных и деформационных исследований опытных грунтоцементных массивов, устроенных по технологиям “Jet-1”  и  “Jet-2” на площадке строительства ГАМТ-2.  По данным расчетов модуль деформации грунтоцемента в плите находился в пределах 402 -1659 МПа (табл      ).

          

 

  

 

 

6.4 Контроль сплошности грунтоцементной стены ограждения котлована здания второй сцены Государственного академического Мариинского театра  

 

Для усиления шпунтового ограждения ООО “Космос СПб” получил задание сформировать по наружному периметру сплошную грунтоцементную стену высотой 18 м и толщиной 1,5 м. Согласно проекту (рис.    ) стена в грунте состояла из трех рядов секущихся грунтоцементных элементов диаметром 0,7 м. Расстояние между центрами грунтоцементных элементов в ряду составляло 0,5 м, между рядами - 0,43 м. Для усиления конструкции стены каждый второй грунтоцементный элемент внешнего ряда армировался двутавром IN40 в интервале глубин  +3,00 - -13,0 м. Проектная прочность грунтоцемента на сжатие – не менее 1,5 МПа.

 

                        

 

 

Рис. Схема струйной цементации  в плане при формировании грунтоцементной стены по наружному периметру шпунтового ограждения котлована строящегося здания Второй сцены Мариинского театра в плане

1 –  цилиндрический грунтоцементный элемент; 2 – двутавр IN40; 3 – шпунтовое ограждение из металлического шпунта марки ARGELOR AU18

Рис.   Вертикальный разрез грунтоцементной стены, устроенной по наружному периметру шпунтового ограждениякотлована строящегося здания Второй сцены Мариинского театра  

1 –  Скважины диаметром 151 мм; 2 – грунтоцементный массив; 3 - двутавр IN40; 4 – шпунтовое ограждение из металлического шпунта марки ARGELOR AU18

 

 

Стена устраивалась и сдавалась отдельными зонами (балками) №№ 1 - 11 в период январь - март 2009г.. Всего в стене было устроено 2825 цилиндрических грунтоцементных элементов.

Основным опасным фактором для реализации проекта устройства стены в грунте способом струйной цементации являлась вероятность деформации грунтов оснований зданий по Минскому переулку и ул. Союза Печатников и набережной Крюкова канала в результате гидроразрыва пластов цементной суспензией под действием избыточного давления в призабойной зоне скважины. Деформации грунтов оснований неминуемо привела бы к осадкам зданий на бутовых фундаментах. Именно из-за высокой степени вероятности осадок зданий ранее отказались от проходки котлована открытым способом.

Технологические параметры струйной цементации были следующими. Расход  материалов на 1 погонный метр ГЦЭ: портландцемент ЦЕМ I 42,5 – 350 кг, добавка КДСЦ – 8,75 кг, вода –  280 л.  Параметры струйной цементации предполагалось изменять в зависимости от типа грунта.  В нижней части разреза в трудно размываемых моренных отложениях (суглинках и супесях с гравием и галькой) скорость подъема монитора должна была соответствовать 0,3 – 0,4 м/мин, частота вращения монитора ~ 20 мин-1;  давление нагнетания раствора 35-40 МПа.  В выше лежащих отложениях скорость подъема монитора уменьшалась до 0,2 – 0,3 м/мин, частота вращения монитора не изменялась ~ 20 мин-1; давление нагнетания раствора  снижалось до 25-30 МПа. Правда автор на основе результатов межскважинного прозвучивания подозревает, что из-за дефицита времени струйная цементация во всем интервале осуществлялась с постоянными параметрами.

Для контроля качества устройства (состояния) грунтоцементной стены, согласно технологического регламента, использовалось два метода контроля: отбор керна горизонтальным бурением (в отдельных точках с отметок -4 и – 11 м по мере откопки котлована) и геофизический метод межскважинного прозвучивания из наблюдательных скважин, пробуренных по центральному ряду грунтоцементных элементов.

Прозвучивание производилось с целью неразрушающего контроля сплошности, интервала залегания и прочности материала грунтоцементной стены в естественном залегании. Наличие несплошности в грунтоцементной стене могло вызвать смещение шпунта внутрь выработки и обрушение плиты перекрытия при откопке котлована способом Tope Down под действием грунтового давления с внешней стороны ограждения и вертикальных нагрузок. Выявленные зоны несплошности заказчик  ООО "Космос СПб" предполагал закрывать дополнительной струйной цементацией.

Имеющийся у автора опыт работы на аварийных объектах позволял отнести грунтоцементную стены к наиболее опасным объектам с высокой вероятностью возникновения аварийной ситуации при проходке при наличии зон несплошности. Цена вопроса была весьма велика и требовала тщательно проведенных исследований и объективных выводов.

Сейсмоакустические исследование грунтоцементной стены были выполнены ООО "Геодиагностика" в период 13.02.-14.04.2009г. Первые исследования проведены13.02.2009 на балке ОБ-1, расположенной на углу ул.Союза Печатников и Минского переулка, последние 14.04.2009 по балке ОБ-5 на углу Минского переулка и ул.Декабристов. Всего исследовано 59 пар скважин.

Межскважинное прозвучивание проводилось в наблюдательных скважинах, пробуренных в грунтоцементной стене буровой установкой через обвязочную балку (рис.   ). После бурения скважины были обсажены обсадными трубами диаметром 108 мм и заполнены технической водой.  После устройства скважин нас вызывали для проведения исследований стены. Развертывание аппаратуры с размоткой кабелей занимало примерно 1 час. Аппаратурный комплекс размещался в салоне автомашины ВАЗ 2107.  Излучатель и приемник упругих волн (УВ), размещенные в соседних наблюдательных скважинах, синхронно спускались вниз с шагом 0,5-1 м от начальной отметки 1 м до забоя скважины (приблизительно, -15,5 м). Начальная глубина прозвучивания была ниже подошвы ростверка. Возбуждение и прием упругой волны производилось при остановке скважинных приборов. За день мы могли прозвучить 3-7 пар скважин.

 

 

 

                             а                                                                                              б                                                                                           в

          

 

 

 

Рис.    . Межскважинное прозвучивание  грунтоцементной стены в феврале - апреле 2009г.

а - балка ОБ-1 (вдоль ул.Союза печатников);  б - балка ОБ-2 (вдоль Минского переулка); в - балка ОБ-6 (вдоль ул.Декабристов и набережной Крюкова канала)

 

 

Технология прозвучивания уже была хорошо отработана и работы были выполнены в поставленные сроки. Некоторое замедление работ происходило в местах относительного понижения скорости, амплитуды и частоты регистрируемого импульса упругих волн. Такие места могли быть как потенциально опасными зонами несплошности в стене, так и не опасными для проходки участками смены прослоев грунтов, локальной неоднородности грунтоцемента, примыкающего к наблюдательной скважине, и др. Поэтому для  исключения возможности пропуска  зоны несплошности и правильной интерпретации результатов прозвучивания по собственной инициативе выполнялись дополнительные лучи прозвучивания, пересекающие подозрительную зону под некоторым углом. При выполнении дополнительного прозвучивания подозрительных зон излучатель и приемник упругих волн располагались на различных глубинах. Дополнительная информация позволяла правильно интерпретировать состояние грунтоцементного массива по измеряемым параметрам упругих волн. Большинство подозрительных зон были идентифицированы как участки смены прослоев грунтоцемента из различных грунтов.

 

 

 

 

 

Рис.  Схема межскважинного прозвучивания грунтоцементной стены

по балке ОБ-6 вдоль ул.Декабристов и набережной Крюкова канала  

в плане.

1 -  грунтоцементная стена, 2 – наблюдательные скважины,

 3 – проекции плоскости прозвучивания на поверхность грунта

            Рис       График зависимости скорости упругой волны от глубины до (1) и после (2)             струйной цементации между скважинами К7 и К8 на балке ОБ-1 (база измерения  6,33 м, дата исследований 13.02.2009) 

 

                  

    

Интервал залегания и сплошность грунтоцементной стены были проконтролированы по изменению скорости и спектру упругой волны по глубине.  В интервале струйной цементации фиксировался типичный для грунтоцемента низкочастотный спектр. Скорость упругой волны изменялась в пределах 1966 – 2586 м/с и соответствовала грунтоцементу, что указывало на проектную высоту и сплошность грунтоцементной стены. Зон несплошности с характерным падением скорости упругой волны вплоть до полного непрохождения сигнала между скважинами не было отмечено. Некоторая неоднородность наблюдалась в верхнем интервале под обвязочной балкой, на границе раздела слоев грунта и внизу на границе с естественном грунтом.  Прочность грунтоцемента, рассчитанная по градуировочной зависимости “скорость упругой волны –  прочность грунтоцемента” находилась в диапазоне 3,2 – 9,29 МПа (32 – 92,9 кг/см2) и существенно превышала проектное значение 1,5 МПа (15 кг/см2)    

Изменение скорости упругой волны по глубине грунтоцементной стены на всех участках стены было схожим и хорошо коррелировало с исходным геологическим разрезом. Вполне можно сформулировать научное положение о зависимости свойств грунтоцемента от типа (размываемости) грунта. Наименьшие скорости упругой волны и прочность грунтоцемента измерены в верхней части разреза в интервале залегания насыпного грунта под обвязочной балкой и в самом низу стены на границе с грунтом (рис.   ). Наибольшие скорости упругой волны и прочность грунтоцемента получены в интервалах залегания пылеватого песка и текучего суглинка.

С чувством  уверенности за качество устройства грунтоцементной плиты по результатам межскважинного прозвучивания были сделаны следующие выводы

1. В интервале прозвучивания  +1 - -15 м (в Балтийской системе высот) залегает грунтоцементная стена. Нарушения сплошности не выявлено. Интервал залегания грунтоцементной стены соответствует проекту.

2. Прочность грунтоцемента в стене изменяется в пределах 3,2 – 9,29 МПа (32 – 92,9 кг/см2) и превышает проектное значение 1,5 МПа (15 кг/см2)      

3. Колебание скорости упругой волны указывает на незначительную структурную неоднородность массива грунтоцементной стены.

 Безаварийная проходка котлована подтвердила правильность выводов межскважинного прозвучивания грунтоцементной стены.

 

 

 

  Заключение

 

        В 2006–2016 г.г. сотрудниками ООО “Геодиагностика” методами акустического просвечивания (прозвучивания) произведен сейсмоакустический контроль сплошности десятков грунтоцементных массивов (ограждений, стен, распорных диафрагм, плит, противофильтрационных завес и др.), устроенных в основаниях зданий и сооружений, и сотен грунтоцементных свай  на участках Кольцевой автодороги (КАД) и Западном скоростном диаметре (ЗСД). Значимыми объектами контроля были грунтоцементные массивы  стволов №1, №4 и  №5 Резервного коллектора в районе площади Мужества, котлована Второй сцены Государственного Академического Мариинского театра,  стартовых котлованов наклонных ходов станций Обводный канал, Адмиралтейская и Спасская Санкт-Петерубргского метрополитена, котлована комплекса “Стокман Невский центр”,  противофильтрационной завесы лотковой части Т4-С комплекса защитных сооружений г.Санкт-Петербург от наводнений и др (рис.10).

          На всех объектах были обеспечены безаварийная проходка и строительство.

          Одними из наиболее запомнившимися автору объектами являются грунтоцементное ограждение ствола 4 Резервного коллектора в районе площади Мужества и грунтоцементная плита  Второй сцены Государственного Академического Мариинского театра.

        В 2003-2004 г.г. в районе площади Мужества одновременно сооружались три ствола №1, №4 и №5. Однако согласно первоначальному проекту проходки стволов под защитой грунтоцементного ограждения удалось пройти только ствол №4 (Строительная  организация ЗАО “СМУ-11 Метрострой”, генеральный директор А.В.Морозов, главный инженер А.В. Уханов), где метод МАП применялся в едином технологическом цикле со струйной цементацией для выявления и контроля ликвидации зон несплошности в ограждении (рис.2).

         В 2008г. ООО “Геодиагностика”  до начала проходческих работ выполнило контроль сплошности грунтоцементной плиты Второй сцены Государственного Академического Мариинского театра в естественном залегании (Строительная  организация ООО “Космос СПб”, генеральный директор Г.Е.Усанов, главный инженер В.Э. Шейман).  Результаты исследований полностью подтвердились при проходке и даже были отражены в решениях Арбитражного суда. Здесь автор не удержался  и приводит выдержку из решения суда: “Из заключения ООО «Геодиагностика», утвержденного д.т.н. Архиповым А.Г., (л.д. 101-121), следует, что интервал залегания грунтоцементной плиты соответствует проекту, нарушений сплошности в грунтоцементе не выявлено, прочность грунтоцемента на одноосное сжатие находится в пределах 4,93-7,62 МПА, а модуль деформации превышает проектное значение 400 МПА”. Научный консалтинг ООО “Геодиагностика” заинтересованных организаций на площадке строительства Второй сцены Государственного Академического Мариинского театра во многом обеспечил победу ООО “Космос СПб” в судебных баталиях.

 

        Выводы

        Рациональной системой контроля качества грунтоцементных массивов в естественном залегании, по мнению автора, является система, включающая разведочное бурение и геофизические скважинные акустические методы при которой:

        а) Бурение скважин малого диаметра производится для определения интервала залегания грунтоцемента и устройства наблюдательных колонок для акустических исследований.

        б) Контроль сплошности, прочности и модуля деформации (упругости) грунтоцемента в естественном залегании устанавливается  методом межскважинного акустического просвечивания.

                                                                                                   

 

 

        Литература

1.  Агроскин И.И., Дмитриев Г.Т., Пикалов Ф.И. Гидравлика. М., Энергия, 1964 

2. Савич А.И., Коптев В.И., Никитин В.Н., Ященко З.Г.Сейсмоакустические методы изучения массивов скальных пород. М., Недра, 1969 

3. Бергман Л.  Ультразвук и его применение в науке и технике. М., Изд-во Иностранной литеры, 1957

4. Комаров В.А., Попов А.А., Шатров Б.Б. и др. Скважинная рудная геофизика. Л., Недра, 1971.

 

 

       

Вверх

 

Информация для связи:

E-mail: arhipov8@mail.ru               

Telephone: +7(911)1582796

Skype: arhipov817

Internet: www.geodiagnostics.ru

     

 

Copyright ©2012-2015 Архипов А.Г.

Все права защищены.

Полное или частичное копирование материалов разрешено только при обязательном указании автора и прямой гиперссылки на сайт www.geodiagnostics.ru