Цементация грунтов: технология и применяемые материалы

 

Цементация грунтов — популярный способ работы с грунтами, направленный на их укрепление. Такой вид работ предполагает использование специальных инъекционных смесей, широко распространённых в современном строительстве. В данной статье речь пойдёт о технологии цементации грунтов, особенностях данного процесса и ошибках, которые можно допустить в процессе данной работы.

 

                 

 

Что такое цементация грунтов и когда её нужно делать?

 

Цементация грунтов направлена на восстановление грунтов и заполнение в них пустот с использованием цементных, цементно-песчаных или цементно-глинистых растворов. Смеси, сразу после изготовления достаточно текучие, затвердевают после нанесения их на рабочую поверхность и постепенно набирают необходимые показатели прочности, тем самым укрепляя и усиливая грунт. Подача перечисленных видов растворов выполняется через скважины, которые специально проделываются в пустотах обрабатываемого грунта.

Результат цементации – усиленный грунт с повышенной несущей способностью. В таком грунте заметно понижается вероятность обвалов и других явлений, опасных аварийной усадкой, а иногда даже разрушением построек. В тех случаях, когда в грунте имеют место карстовые процессы, укрепление грунта посредством цементации позволяет снизить интенсивность таких процессов и, соответственно, предохранить грунт от преждевременного разрушения.

В некоторых грунтах могут появляться крупные пустоты, размер которых фиксируется и вносится в проект проведения цементации. Такие пустоты, как правило, встречаются в скальных и полускальных основаниях различных сооружений, а также в некоторых нескальных грунтах. При этом метод цементации не подходит для водоносных грунтов, скорость течения воды в пустотах которых превышает 2300 м/сутки. В таких ситуациях первым делом выполняются работы по снижению скорости течения воды, содержащейся в грунте, и только затем проводится цементация.

В проекте описываемых работ указывается ряд параметров, среди которых: объём имеющихся в грунте пустот с допусками, способы заполнения этих пустот и используемое для этой цели оборудование, параметры скважин, которые будут пробурены в грунте, применяемые инъекционные материалы и методики нагнетания цементного раствора.

В результате обработки слабых грунтов цементными растворами получается твёрдое и прочное основание с высокой несущей способностью. Такое основание  не боится давления со стороны расположенной на нём постройки и не склонен к различным деформациям, приводящим к опасности обрушения здания. Это особенно актуально для территорий с плотной застройкой. Однако не все грунты получают в результате цементации постоянный эффект. Некоторые из них, особенно те, что подвержены различным вредным процессам, нуждаются в постоянном контроле и регулярных процедурах цементации.

 Читайте также:

• Инъектирование микроцементом
• Инъектирование стен: правильная технология и необходимые материалы
• Инъектирование фундамента
• Инъектирование бетона: технологии и материалы

 

 

Основные цели цементации грунта:

Цементация грунта применяется практически повсеместно, от строительства частных и многоквартирных домов до возведения шахт и других подземных сооружений. Основная цель рассматриваемого процесса – укрепление грунта, составляющего основу возведения постройки, и его усиление с целью предотвращения возможных проблем. 

Цементация используется для:

• Изготовление противофильтрационных завес для котлованов;
• Усиления грунтов, расположенных под фундаментами зданий;
• Заполнения карстовых пустот, образовавшихся в грунте, а также шахтных и горных выработок;
• Проведения мероприятий, предотвращающих возникновение оползней;
• Укрепления грунтов во время строительства автомобильных дорог, а также тоннелей и мостов;
• Улучшения качества откосов и склонов.

Нередко слабые участки грунта упрочняются и выравниваются посредством оборудования их стальными элементами. В результате получается грунт, безопасный для строительства на нём различных сооружений. Армирование грунта можно проводить и тогда, когда здание на нём уже возведено. В таком случае важно обеспечить сохранность постройки и безопасность тех, кто может находиться рядом с ней.

Следует отметить, что почва страдает в результате множества процессов, среди которых — выращивание сельскохозяйственных культур, выпас скота, загородное строительство и не только. После проведения подобных мероприятий грунт нуждается в усилении для продолжения его нормального функционирования. Также на состояние почвы могут влиять не только внутренние (карстовые процессы), но и внешние факторы (ветровые нагрузки, водные стоки и так далее). Цементация помогает ликвидировать последствия указанных процессов, а также защитить грунт от будущего воздействия.

Такое явление, как эрозия почвы, распространено как на загородных территориях, так и в условиях городской застройки. Цементация грунтов позволяет ослабить патологические процессы в почве и предотвратить её дальнейшее разрушение.

 

Применение цементации для укрепления и усиления грунта:

 

 

Применение цементации для грунтов основания фундамента:

 

Основные приспособления необходимые для проведения работ по цементации

 

Для выполнения работ по цементации грунта используется специальное оборудование, с которым работает обученная команда профессионалов. Оборудование подразделяется на приборы, необходимые для замешивания цементного раствора, и устройства, осуществляющие непосредственное инъецирование такого раствора.

Рассмотрим применяемые инструменты немного подробнее.

 

Оборудование и насос для цементации грунтов

 

 

Среди всего оборудования, используемого при работе с цементом, можно выделить три основных элемента:

1. Установки для бурения: выделяют крупно- и мелкогабаритные устройства. Первые позволяют производить бурение на глубину до 50 метров, а вторые – на глубину около 2 метров. Мелкогабаритные буровые установки могут быть полезны в условиях ограниченности территории и при плотной застройке обрабатываемого участка.
2. Насосы способные работать с высоким напором. Только высоконапорное оборудование способно подавать цементный раствор вглубь грунта с необходимым давлением (от 450 до 600 атмосфер). Это особенно полезно при больших объёмах работы, поскольку за одну минуту удаётся заполнить от 150 до 450 литров пустого объёма скважины.
3. Миксерное оборудование, применяемое для замешивания ремонтного раствора. Цементный, цементно-песчаный или цементно-глинистый материал в необходимом соотношении соединяется с водой и эффективно замешивается с использованием мощных миксерных установок.

 

Инъекторы для цементации грунтов

 

 

Инъекторы, используемые для цементации грунтов, представляют собой составные конструкции, состоящие из металлических труб. На разных участках труб присутствуют отверстия, через которые выводится цементная смесь. Иногда инъектор дополнительно оборудуется фиксирующими элементами, упрощающими его расположение в скважине. 

Применение инъекторов актуально в тех случаях, когда грунты обладают высокой степенью проницаемости и для работы с ними не нужно направлять оборудование на большую глубину. Оптимальные значения глубины для использования инъектора – до 15 метров. Цементный раствор попадает в грунт через отверстия, которыми снабжены трубки инъектора.

Инъекторы – достаточно простые приборы, применение которых не составляет большого труда. Длина инъекторов варьируется от 1 до 3 метров, а диаметр – от 2,2 до 4 см, причём оба значения подбираются индивидуально, в зависимости от того, на какой глубине планируется проводить инъектирование. При помощи инъекторов можно как укрепить рыхлые грунты, так и заполнить пустоты цементом в тех случаях, когда достаточно прочный грунт распался на отдельные куски. Также инъекторы позволяют решить проблему образования пустот в крупных и мелких песчаных грунтах.

 

Читайте больше о методе инъектирования в нашей статье:

• Инъекционная гидроизоляция

 

 

Метод цементации грунтов:

 

В современном строительстве выделяют несколько основных методов цементации грунтов, среди которых наиболее популярным является струйный метод цементации. Рассмотрим его, а также другие виды проведения работ подробнее. 

 

Струйная цементация грунтов

 

 

Струйный способ заливки цементного раствора в ослабленный грунт — один из лучших способов цементации. Струйная заливка предполагает направление смеси на большую глубину, причём данный процесс происходит с высокой скоростью и под большим давлением. Перед началом цементации участок, на котором планируется проводить работы, подготавливается, а затем при помощи специального впрыскивающего оборудования вглубь грунта подаётся цементный раствор. 

После затвердевания раствора происходит усиление грунта, служащее основной целью струйной цементации. При этом благодаря специальному способу подачи, ремонтная смесь образует в грунте так называемые колонны, которые, как и сама методика, называются струйными. Такие цементные колонны обеспечивают эффективное и долговременное укрепление слабого грунта.

Перед началом заполнения пустот грунта цементом на выбранном участке бурится скважина необходимой глубины. Диаметр просверливаемого отверстия может варьироваться примерно от 10 до 20 см. После того как скважина подготовлена, оборудование размещается над ней так, чтобы можно было выполнить закачку цементного раствора. Оборудование, главным образом включает в себя колонну диаметром от 7 до 10 см. 

Подача смеси выполняется с высокой скоростью, причём на конце колонны имеется сопло, которое ещё сильнее ускоряет процесс впрыскивания смеси. Расход цемента при струйной цементации составляет примерно 300-400 кг смеси на метр заполнения.

 

Существует отдельная разновидность методов струйной цементации — методика Jet Grouting. При выполнении цементации таким методом замешивание цементного раствора производится «на месте», параллельно с разрушением горной породы. Это достаточно прогрессивный метод, который позволяет существенно экономить время, поскольку две основные операции струйной цементации выполняются одновременно. Для проведения струйной цементации методом Jet Grouting необходимы: буровая установка в буровым шнеком, который оборудуется соплами, инъекционный насос (для бетона), а также замешивающее оборудование, необходимое для производства цементного раствора. 

 

 

Jet grouting — высокопроизводительная технология, позволяющая работать даже в условиях плотной застройки и в труднодоступных местах. Такая методика цементации грунта эффективна как при реконструкции уже построенных зданий, так и при строительстве новых. Инъекционный насос позволяет подавать цементный раствор под давлением от 400 до 700 атмосфер. Раствор, используемый в процессе цементации, замешивается из сухого порошка и воды в соотношении 1:1. Раствор может представлять собой цементную, цементно-песчаную или цементно-глинистую смесь.

 

Закрепление грунтов цементацией с подачей цементного раствора в режиме пропитки

 

 

Для цементации гравелистых песков и крупнообломочных грунтов в режиме пропитки необходимо использовать цементные растворы, которые изготавливаются на основе цементов общего назначения. Качественная цементация таких грунтов обеспечивается за счёт локализированной подачи растворов и направленного заполнения всех пустот, имеющихся в грунте. 

Чтобы цементный раствор не выходил за пределы рабочей области, предварительно создаётся защитный барьер: по контуру обрабатываемого участка бурятся небольшие скважины, которые также заполняются цементным раствором. Грунты, для которых характерно большое количество трещин, наполняются цементной смесью «до отказа». Под отказом понимается расход раствора, понижающийся до 5-10 литров в минуту при сохранении изначально заданного давления.

При работе в режиме пропитки с песчаными грунтами, как мелкими, так и крупными, в качестве инъекционных растворов следует выбирать такие, что изготавливаются из микроцементов. Цементирование же выполняется следующим образом: 

• Бурение скважин, в которые будет нагнетаться раствор, и оборудование их манжетными колоннами; 
• Замешивание раствора в мешалках, число оборотов в минуту которых превышает 2500;
• Нагнетание микроцементной смеси в подготовленные скважины с непрерывным перемешиванием;
• Извлечение оборудования из скважин и ликвидация самих скважин.

Другой вариант работы с песчаными грунтами – использование технологии виброцементации.

 

Инъекция в режиме виброцементации

 

 

Для обработки грунтов в режиме виброцементации применяются стандартные растворы, приготовленные на основе цементов общего назначения. Суть технологии заключается в следующем: погружение инъекционного оборудования с использованием специального вибропогружателя осуществляется одновременно с подачей цементного раствора.

Диаметр колонны, которая образуется в ходе виброцементации, варьируется приблизительно от 30 до 80 см. Расход нагнетаемого раствора при цементации рассматриваемым способом может регулироваться скоростью, с которой инъекционное оборудование погружается в грунт. В среднем эта скорость варьируется от 40 см до 100 см в минуту. Помимо скорости, фактором, влияющим на расход цементной смеси, является количество возвратно-поступательных движений инъектора в направлениях вверх и вниз. 

 

Инъекция в режиме гидроразрывов

 

 

Усиление грунтов также может осуществляться посредством формирования гидроразрывов, которые бывают вертикально, горизонтально или наклонно-направленными. Образовавшиеся разрывы заполняются цементным раствором, который, уже попадая в обрабатываемый объём, постепенно твердеет и набирает прочность. Такая методика отлично подходит для работы с просадочными, пылевато-глинистыми и просадочными грунтами. Сфера применения режима гидроразрывов – усиление слабых грунтов, а также укрепление деформированных и ослабленных грунтов, располагающихся под основаниями различных построек.

При цементации грунтов рассматриваемым способом глубина зон, образующихся при гидроразрывах, составляет не более 50 см. Такие зоны, в которых бурятся оборудуемые манжетными колоннами скважины, могут без каких-либо затруднений обрабатываться стандартными инъекторами. При гидроразрывах, как и в предыдущем методе, для предотвращения выхода нагнетаемого раствора за пределы закрепляемого массива, формируется защитный барьер. Такой барьер включает в себя скважины, расположенные по контуру рабочей зоны, которые заполняются инъекционным раствором.

Как и в режиме пропитки, в режиме гидроразрывов наполнение зоны цементным раствором осуществляется «до отказа», то есть до того момента, пока расход раствора не снизится до 5-10 литров в минуту. Единственное отличие от работы в режиме пропитки состоит в том, что одновременно со снижением расхода необходимо повышать давление до значений, превышающих заданные в проекте.

 

Цементация грунтов восходящим способом

 

 

Цементация грунтов может проводиться восходящим или нисходящим способом. Оба метода предполагают бурение скважин так называемыми заходками, то есть отдельными участками длины скважины. При этом глубина каждой заходки должна быть не более 10 метров. Однако такое значение соблюдается только для достаточно стабильных грунтах. Если работы проводятся в нестабильных, сильно обводнённых или существенно разрушенных грунтах, глубину одной заходки следует уменьшить до 3 метров.

При бурении и инъецировании скважин восходящими заходками сначала выполняется бурение скважины на заранее определённую глубину. Затем производится заполнение пустот грунта цементным раствором, в направлении от места забоя скважины к устью.

 

Цементация грунтов нисходящим способом

 

Выполнение цементирования нисходящими заходками происходит следующим образом: сначала скважина бурится на глубину той заходки, которая располагается ближе всего к устью скважины. После этого образованный пустой объём заполняется цементным раствором. После этого та зона грунта, которая была заинъектирована, разбуривается, а скважина журится на глубину, соответствующую второй заходке, и снова инъектируется. Такой процесс продолжается до окончания инъектирования последней заходки.

 

Нормативная документация и СНиП по технологии цементации и укреплению грунтов

 

Нажав на ссылку ниже, вы можете скачать СНиП и нормативную документацию касательно проведения расчётов и работ по цементации и усилению грунтов:

• СП 45.13330.2017. Свод правил. Земляные сооружения, основания и фундаменты
• МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ ПО УКРЕПЛЕНИЮ ГРУНТОВ МЕТОДАМИ СТРУЙНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ

 

Цены на цементацию грунтов и их укрепление 

 

В таблице, представленной ниже, указаны средние цены на работы по цементации грунтов:

Наименование вида работ	Стоимость работы
Укрепление грунта методом напорной инъекции	От 5500 руб./пог.метр
Укрепление грунта методом струйной цементации	От 4500 руб./пог.метр
Цементация грунтов на глубину 3 метра	От 12 500 руб./пог.метр
Цементация грунтов при расходе цементного раствора 50/100/150/200 кг на метр	От 2300/2600/3100/3200 руб./метр
Цементация грунтов с использованием микроцементов	От 4000 руб./пог.метр
Цементация грунтов в режиме пропитки	От 5000 руб./пог.метр
Цементация грунтов технологией виброцементации	От 5000 руб./пог.метр