Струйная цементация — это современный геотехнический метод улучшения свойств грунтовых массивов, широко востребованный при возведении подземных конструкций и усилении оснований зданий. В профессиональной среде для обозначения этой группы работ используют термин Jet Grouting (от англ. jet — «струя», grouting — «инъецирование»). Суть метода состоит в разрушении структуры грунта высокоскоростной струёй цементного раствора с одновременным перемешиванием и формированием грунтоцементного массива заданных параметров. В статье подробно разберём, что такое струйная цементация, какие разновидности существуют, какое оборудование применяется и в каких условиях целесообразно выбирать именно этот способ закрепления оснований.
Описание технологии струйной цементации грунтов
Струйная цементация — это способ закрепления слабых, рыхлых и водонасыщенных грунтов посредством передачи частицам грунта высокой кинетической энергии струи жидкости под давлением 40–50 МПа (400–500 атм). Энергии достаточно для разрушения структурных связей грунта на расстоянии до 1,5–2 м от оси скважины и формирования цилиндрической грунтоцементной колонны. После твердения цементной суспензии в массиве образуется новый материал — грунтоцемент (грунтобетон) с прочностью на сжатие 1–15 МПа и модулем деформации 50–5000 МПа в зависимости от исходного грунта.
Технологический цикл реализуется в две стадии. На прямом ходу буровая установка проходит лидерную скважину диаметром 100–130 мм до проектной отметки с промывкой водой, бентонитовым или цементным раствором. По достижении забоя автоматически переключается режим: повышенное давление перекрывает каналы орошения и открывает форсунки монитора. На обратном ходу колонна поднимается со скоростью 20–60 см/мин и одновременно вращается со скоростью 10–25 об/мин, а через сопла подаётся высоконапорный цементный раствор. Размытый грунт частично выносится по затрубному пространству на поверхность в виде пульпы, остальной объём перемешивается с раствором. После 28-суточного набора прочности образуется грунтоцементная свая (ГЦС) диаметром от 600 до 3000 мм, в которую при необходимости погружают арматурный каркас, металлическую трубу или сборный железобетонный сердечник.
Виды технологии Jet Grouting
В международной практике известно три основных типа технологии Jet Grouting. Разберём каждый из них.
Однокомпонентная система — технология Jet 1
Простейший вариант, при котором разрушение и перемешивание грунта осуществляется исключительно струёй цементного раствора. Диаметр получаемого элемента обычно составляет 0,3–0,8 м в плотных грунтах и до 1,2 м в рыхлых. Обеспечивает наибольшую плотность и прочность грунтоцемента, поэтому применяется для несущих свай в песчаных и слабых органоминеральных грунтах. Метод экономичен, но ограничен по размерам формируемых свай.
Двухкомпонентная система — технология Jet 2
Технология струйной цементации Jet 2 предполагает использование двух потоков — цементного раствора и сжатого воздуха одновременно. Воздушная оболочка вокруг жидкой струи снижает сопротивление среды и увеличивает радиус разрушения. Благодаря этому технология Джет 2 позволяет формировать элементы диаметром до 1,5–2,0 м. Двухкомпонентная система оптимальна в средне-плотных песчаных и глинистых грунтах. Это самая распространённая технология в РФ.
Трёхкомпонентная система — технология Jet 3
Технология Jet 3 является наиболее производительной и наиболее энергоемкой. Здесь используются три потока: водо-воздушная завеса разрушает грунт, а через отдельное сопло нагнетается цементный раствор. Разделение функций размыва и инъецирования обеспечивает максимальный диаметр элементов — до 2,5–3,0 м и выше. Трёхкомпонентная система незаменима при работе в крупнообломочных и гравийных основаниях, а также при необходимости формирования массивных противофильтрационных конструкций.
Таким образом, все три схемы струйной цементации различаются количеством компонентов и, как следствие, диаметром формируемых элементов, производительностью и областью применения. Все три в финале формируют Jet-сваи. Что такое Джет свая? Jet-свая – это грунтоцементный вертикальный или наклонный цилиндрический элемент укреплённого грунта, сочетающий свойства несущих свай и закреплённого грунтового массива.
Дополнительная технология — Mini-Jet
Mini Jet Grouting — это, по сути, «облегчённый» вариант Jet 1, в котором формируется не крупная грунтоцементная колонна, а более компактный элемент диаметром 0,3-0,6 м, обычно совмещённый с самобурящимся микросваемым стержнем. Обычной буровой/инъекционный стержень остаётся в теле элемента и работает как арматура. В отличие от обычного Jet 1, где основная цель — массивное укрепление грунта, mini Jet чаще применяют там, где нужен одновременно и армирующий стальной элемент, и локально сформированное грунтоцементное тело. Обычно их используют для устройства микросвай в стесненных условиях. Mini Jet особенно подходит для усиления оснований, восприятия растягивающих усилий, анкеров, грунтовых гвоздей и стабилизации откосов.
Где и зачем возможно применение технологии струйной цементации грунтов
Крепление грунта методом струйной цементации вертикальными грунтоцементными сваями применяется для решения следующих задач:
- усиление оснований фундаментов существующих зданий при надстройке или реконструкции;
- устройство ограждений котлованов в стеснённых условиях городской застройки;
- создание противофильтрационных завес для гидротехнических объектов;
- закрепление грунтов при проходке тоннелей и микротоннелей;
- формирование днища котлована для предотвращения суффозионного выноса грунта.
Область использования этого метода чрезвычайно широка. Технология Джет Граутинг востребована при строительстве объектов гражданского, промышленного и транспортного назначения. Струйная технология закрепления грунтов успешно работает в песках, супесях, суглинках, глинах, илах, торфах и техногенных насыпях. Ограничения возникают лишь в скальных и полускальных массивах, где энергии струи недостаточно для размыва породы. Метод струйного укрепления грунтов применим как на открытых площадках, так и внутри существующих зданий благодаря компактности бурового оборудования.
Основные направления использования:
- реконструкция и усиление фундаментов памятников архитектуры;
- устройство подземных паркингов и технических этажей;
- ограждение котлованов вблизи соседних зданий и коммуникаций;
- строительство тоннелей метрополитена и инженерных коллекторов;
- укрепление откосов и оснований автодорог, мостов, путепроводов.
Оборудование для струйной цементации Jet Grouting
Оборудование для струйной цементации представляет собой комплекс специализированных машин и механизмов, работающих в единой технологической цепочке. Установка для струйной цементации состоит из нескольких ключевых узлов.
Буровые установки Jet Grouting — основной элемент комплекса. Это самоходные или стационарные машины с гидравлической подачей, способные обеспечивать точное вращение и контролируемый подъём буровой колонны. Современные модели оснащены системой автоматического контроля параметров бурения и нагнетания (давление, расход, скорость подъёма). Малогабаритные модификации предназначены для работы внутри зданий, в подвалах и в стандартных дверных проёмах — это критически важно при усилении исторических объектов и реконструкции.
Высоконапорный растворонасос для струйной цементации обеспечивает подачу цементного раствора под высоким давлением (до 700 атмосфер). Для работ по технологии Jet Grouting применяются плунжерные и поршневые насосы высокого давления с регулируемым расходом. Производительность насоса подбирается в зависимости от типа системы и проектного диаметра элемента.
Смесительные станции готовят суспензию заданного водоцементного отношения в непрерывном режиме. Для хранения и подачи цемента используются горизонтальные бункеры и вертикальные силосы.
Монитор — буровой инструмент на нижнем конце колонны с боковыми соплами из карбида вольфрама.
Кондукторы и обсадные колонны для крепления грунтов методом струйной цементации применяется в нестабильных верхних слоях, где стенки скважины склонны к обрушению. Кондуктор фиксирует устье скважины и предотвращает деформацию ствола при нагнетании раствора.
Завершают комплекс компрессоры высокого давления, вертлюги (цементные сальники), шламосборники и системы АСУТП, фиксирующие в реальном времени давление, расход, скорости вращения и подъёма с автоматическим протоколированием.
Добавки для бетона при струйной цементации
Комплексные добавки для струйной цементации решают задачи технологической прокачиваемости, прочности конечного материала и регулирования сроков схватывания.
Бентонит (натриевая глина) повышает тиксотропность и стабильность суспензии, снижает водоотделение, удерживает раствор в зоне обработки. Суперпластификаторы на основе поликарбоксилатных эфиров и нафталинформальдегидов снижают В/Ц на 10–25 % при сохранении подвижности, повышая прочность грунтоцемента на 20–30 %. Замедлители схватывания (глюконат натрия) увеличивают «живучесть» раствора при глубоких сваях свыше 30 м, противоморозные добавки (нитрит натрия, формиаты) обеспечивают зимнее производство работ при температурах до –15 °C. Микрокремнезём повышает водонепроницаемость в противофильтрационных завесах. В агрессивных средах (кислые или сульфатные грунтовые воды) в состав вводят сульфатостойкие добавки, а при работе в торфах и илах — бентонит для повышения седиментационной устойчивости суспензии.
Подбор рецептуры производится на основании лабораторных испытаний с учётом гранулометрического состава грунта, его влажности и химического состава подземных вод.
Нормативная база — СП по струйной цементации грунтов
Основным нормативным документом в Российской Федерации является СП 291.1325800.2017 «Конструкции грунтоцементные. Правила проектирования». Этот свод правил устанавливает требования к проектированию грунтоцементных элементов, выполняемых методом струйной цементации, включая расчёт несущей способности, определение прочностных характеристик, выбор технологических параметров и порядок проведения контрольных испытаний.
Кроме того, при проектировании и производстве работ учитываются требования СП 22.13330 «Основания зданий и сооружений», СП 45.13330 «Земляные сооружения, основания и фундаменты», а также ГОСТ 20276 «Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости». Международные нормы описаны в стандарте EN 12716 «Execution of special geotechnical works — Jet grouting».
Контроль качества при струйной цементации
Контроль качества при струйной цементации регламентируется СП 384.1325800.2018 и СП 291.1325800.2017 и ведётся на трёх уровнях.
Операционный контроль оператор выполняет в режиме реального времени по показаниям манометров, расходомеров и инклинометров: фиксируются давление, расход и объём раствора, скорости вращения и подъёма, плотность суспензии, отклонение скважины от вертикали и характеристики выходящей пульпы.
Контроль готовых элементов включает откопку оголовков свай для визуального определения фактического диаметра и сплошности, а также отбор керна при струйной цементации колонковым бурением через 4–6 суток после устройства с испытаниями через 28 суток. Образцы испытывают на одноосное сжатие по ГОСТ 28570-90 и ГОСТ 10180-90.
Геофизический контроль дополняет лабораторные испытания: сейсмоакустическое прозвучивание определяет скорость продольных волн с пересчётом в прочность по корреляционной зависимости (методика ОСТ 2520-018-2008), межскважинная томография строит 3D-модель массива, гамма-каротаж оценивает плотность. Статические испытания свай по ГОСТ 5686-2012 и ГОСТ Р 70696-2023 нагружают контрольные элементы ступенями до 1,5–2 расчётных, штамповые испытания по ГОСТ 20276-2012 определяют модуль деформации массива. При работе вблизи существующих зданий обязателен геотехнический мониторинг с маркерами осадок, инклинометрами и пьезометрами.
Услуги по струйной цементации от компании «Геобилдинг»
Геотехническая компания «Геобилдинг» специализируется на закреплении грунтов методами Jet Grouting и глубинного инъекционного крепления (Deep Injection). Компания располагает собственным парком бурового и нагнетательного оборудования, квалифицированным инженерным персоналом с опытом более 20 лет и лабораторной базой для подбора составов и контроля качества.
«Геобилдинг» предлагает полный цикл работ по струйному цементированию грунтов:
- обследование площадки и анализ инженерно-геологических условий;
- разработка проекта производства работ (ППР) с расчётом технологических параметров;
- выполнение пробных свай для верификации расчётных данных;
- производство работ по всем трём типам систем;
- лабораторный и полевой контроль качества, включая отбор кернов;
- сдача исполнительной документации заказчику.
Подробнее об услугах и реализованных проектах можно узнать на сайте компании.
Источники
- СП 291.1325800.2017 «Конструкции грунтоцементные. Правила проектирования».
- СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений».
- СП 45.13330.2017 «Земляные сооружения, основания и фундаменты».
- ГОСТ 20276-2012 «Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости».
- EN 12716:2018 «Execution of special geotechnical works — Jet grouting».
- Малинин А. Г. «Струйная цементация грунтов». — М.: Стройиздат, 2010.7.
