Манжетные колонны. Технология укрепления грунтов и оснований зданий.
Мы предлагаем нашим заказчикам изготовление манжетных колонн под заказ для каждого конкретного проекта. Колонны могут быть изготовлены по Вашей рабочей документации (например, совмещены с буровым инструментом) или серийно изготавливаемые. Так же можем произвести доработку под конкретную задачу. Манжетные колонны могут быть изготовлены как из стали, так и из ПВХ.
Манжетные колонны используются для закрепления грунтов оснований зданий и сооружений под фундаментами мелкого заложения.
Существует два основных вида манжетных колонн:
 |
 |
| Стальные манжетные колонны |
Манжетные колонны из ПВХ |
При закреплении грунтов с использованием манжетных колонн применяется двойной пакер, перемещаемый внутри манжетной колонны.
Более подробно о методе манжетной технологии можно прочитать далее.
Метод манжетной технологии
При использовании для целей укрепительной инъекции метода манжетной технологии (ММТ) спектр закрепляемых грунтов практически неограничен. Эта технология выгодно отличается от традиционного способа инъекции нисходящими зонами, когда последовательно заливают раствором скважины и разбуривают их после схватывания с уменьшением диаметра.
В этом случае цементный столб выше зоны инъекции играет роль тампона, в то время как при использовании ММТ применяется переносной двойной тампон, перемещаемый в трубах с манжетами.
Однако при закреплении связных грунтов необходим учет ряда обстоятельств, отражающих специфику их разрушения при действии локальных инъекционных давлений. В противном случае инъекция может вызвать ухудшение физико-механических характеристик основания по сравнению с первоначальными.
|
Используемая для целей противофильтрационного закрепления конструкция манжетной колонны показана на рис. 1. |
 |
Отверстия располагаются по высоте обычно с шагом 330 мм, однако это расстояние может быть и большим, вплоть до 1 м. Обойма толщиной 3-5 см герметизирует затрубное пространство, не позволяя раствору подниматься вдоль трубы вверх.
В последние годы ММТ используется в Санкт-Петербурге для закрепления грунтов оснований зданий и сооружений под фундаментами мелкого заложения. При этом практически полностью используется описанная выше технологическая оснастка и метод ведения работ. Конструктивные изменения заключаются лишь в замене стальных манжетных колонн на колонны ПВХ, на наружной поверхности которых для фиксации манжет устроены прорези. Шаг отверстий по вертикали постоянен и не зависит от особенностей инъектируемых грунтов и напряженного состояния основания.
Технологическим отличием применяемой в Петербурге укрепительной инъекции от противофильтрационной является способ заливки обойменного раствора. В наиболее распространенном случае бурения насухо этот раствор заливается сверху, а не через нижнюю манжету, что вполне оправданно, учитывая малую глубину скважин (обычно не более 3-4 м от дневной поверхности или пола подвала).
Вместе с тем очевидно, что цели противофильтрационной и укрепительной инъекции различны. В последнем случае основание после отвердевания раствора должно обладать существенно большей прочностью и меньшей деформативностью.
Однако в отличие от пропитки, когда раствор заполняет до 70% объема пор, для ММТ характерна большая вариация свойств закрепляемого массива в разных точках, так как линзы затвердевшего раствора соседствуют с непропитанным грунтом. При этом согласно опытным данным общий объем раствора в пересчете на 100% выхода тампонажного камня составляет обычно не более 5-15% от объема закрепляемого грунта.
Таким образом, для повышения общей прочности заинъектированного массива, в связи с малым объемом твердых растворных включений следует применять для них весьма прочные растворы. И, наоборот, для укрепительной инъекции по ММТ нецелесообразно применение тонких слабопрочных растворов, используемых для однорастворной силикатизации. Обеспечивающие большую прочность смолы различного состава токсичны и не могут быть рекомендованы при инъекции непосредственно под фундаментами зданий. Следовательно, при укрепительной инъекции естественных оснований зданий возможно использование лишь относительно высокопрочных микро-цементных растворов.
| Исследования показали, что обойма разрушается от краев манжет, откуда раствор через многочисленные тонкие трещины внедряется в грунт (рис. 2)(Разрушение обоймы при наличии прочной резиновой манжеты: 1—ось симметрии манжетной колонны , 2—раздувные манжеты двойного пакера , 3—инъекционная трубка двойного пакера, 4—манжета, 5—обойма, 6, 7—трещины в обойме и грунте). Сама манжета, изготовленная из эластичной резины, не рвется и фактически создает экран для распространения раствора по меньшей мере в зоне ее ширины. Не подлежит сомнению то обстоятельство, что такая картина трещинообразования вытекает не из особенностей инъектируемых грунтов, закачиваемых растворов и прочностных характеристик обоймы, а является следствием наличия широкой неразрушаемой манжеты. |  |
Очевидно, что в случае закрепления при этой оснастке практически любых грунтов достаточно грубыми цементными растворами большая часть трещин не будет заполнена.
| Исследования инъекции цементного раствора в глинистые грунты показали, что оптимальным является случай, когда раствор инъектируется в грунт в виде одной сплошной линзы толщиной 2-4 см. При этом обеспечивается наилучшее армирование и уплотнение грунта (рис. 3)(Распространение раствора в грунте в случае разрушаемой в ходе гидроразрыва манжете: 1—ось симметрии, 2—манжетная колонна, 3—линза раствора, 4—границы зон сильного уплотнения грунта). Такая текстура инъектируемого массива будет иметь место либо при очень узкой манжете, либо при той ее конструкции, которая допускает разрыв сразу же после начала закачки раствора. В случае же препятствия на пути горизонтального распространения раствора в грунтах возникает текстура, аналогичная рис. 2. При этом раствор не проникает в большинство трещин и упрочнение грунта будет слабым. В связи с этим, для укрепительной инъекции любых грунтов микро-цементными растворами желательным явится такая конструкция манжеты, которая не препятствовала бы распространению раствора в грунт по кратчайшему горизонтальному направлению. |  |
Наиболее простое конструктивное решение при этом будет обеспечено в случае использования в качестве манжеты нескольких слоев велосипедной камеры. Очевидно, что после разрушения манжеты опасаться обратного проникновения раствора в трубу ввиду малого сечения отверстий не следует. По тем же причинам также исключено поступление в трубу грунтовых вод ввиду малости в пределах глубины инъекции гидростатических давлений и незначительной длительности процесса инъекции через одну трубу вплоть до ее окончательной заливки цементным раствором.
Описанная конструкция манжеты будет выполнять только функции герметизации колонны при заливке обойменного раствора. После затвердевания обоймы и начала инъекции манжета необратимо разрушается. Подобный однократный срок службы манжеты с соответствующим участком обоймы до изобретения манжетной технологии реализовывался при взрывных перфораторах, применяемых нефтяниками. Очевидно, при заливке обойменного раствора сверху все манжеты на трубе могут выполняться описанным образом. В случае бурения первичных скважин в неустойчивых грунтах под защитой глинистого раствора стандартная манжета из литой резины устраивается только в самом низу, так как через нее в скважину подается обойменный раствор, вытесняющий буровой.
Однократный срок службы манжеты, не позволит производить многократную инъекцию в те или иные зоны основания. Однако повторное внедрение раствора в грунт спустя некоторое время неизбежно вызывает разрушение образовавшихся при первичном инъектировании структурных связей. В большинстве случаев это нежелательно, в связи с чем при укрепительной инъекции следует стремиться закрепить грунт при однократной обработке скважин, двигаясь снизу вверх.
В отношении устраиваемой на трубах прорези следует отметить, что она изначально предназначалась для фиксации манжеты от смещения вдоль трубы. Это явление, безусловно, имеет место при горизонтальном вдавливании труб из технологических колодцев (так называемая горизонтальная технология), однако полностью отсутствует в случае опускания трубы с манжетами в готовую скважину с последующей заливкой (сверху или снизу) обойменным раствором. В связи с этим манжетная труба может быть совершенно гладкой снаружи, что упростит ее изготовление.
Количество выпускных отверстий в трубе, традиционно равное четырем для более равномерного распределения раствора в горизонтальной плоскости, очевидно, может быть увеличено до 6 или даже до 8. Окончательное решение по этому поводу должно приниматься на основе прочностного расчета ослабленного сечения пластмассовой манжетной трубы на ожидаемые максимальные давления гидроразрыва и инъекции.
Шаг перфорации в вертикальном направлении определяется, вообще говоря, целым рядом обстоятельств (особенностью напластования грунтов под подошвой фундамента, напряженно-деформированным состоянием основания в ходе инъекции, а также требуемыми конечными значениями прочности и деформативности закрепленного массива). Исходя из опыта укрепительной инъекции, расстояния между отверстиями по высоте обычно варьируют от 0,3 до 1 м. Окончательное расположение отверстий, а также давлений инъекции в разных горизонтах целесообразно устанавливать в ходе численного моделирования.
Таким образом, конструкция манжетной колонны для целей укрепительной инъекции оснований зданий и сооружений может быть упрощена по сравнению с существующими аналогами. Эти упрощения касаются в основном конструкции манжеты, которая должна разрушаться с началом подачи давлений в грунт. Помимо простоты устройства, присутствие разрушаемой манжеты будет обеспечивать максимальное раскрытие трещин в плоскости разрыва, что будет способствовать их заполнению достаточно грубыми цементными растворами. С другой стороны, при большем раскрытии заполняемых раствором трещин вокруг последних будут увеличиваться размеры зон уплотняемого грунта. Как уже отмечалось, шаг отверстий в трубе по вертикали следует в каждом конкретном случае закрепления увязывать прежде всего с напряженно-деформированным состоянием системы "фундамент - усиливаемое инъекционными давлениями основание". Следовательно, предпроектные работы должны включать в себя операции по численному моделированию геотехнических ситуаций, возникающих при гидроразрывах в грунтах и инъекции. Моделирование позволит оценить также несущую способность и деформативность закрепленного основания, а следовательно, и резервы догрузки фундаментов. Совокупность перечисленных операций даст возможность минимизировать расход раствора и общее количество инъекционных скважин.
Схема установки манжетных колонн определяется:
- геометрическими параметрами массивов закрепляемого грунта;
- условиями доступа к месту инъекции;
- принятым по условиям инъекции радиусом распространения суспензии;
- видом конструкции фундаментов (ленточные, штучные, свайные) при повышении несущей способности фундаментов
- назначением инъекционного закрепления (усиление фундаментов, стена в грунте, горизонтальный экран, противофильтрационная завеса)
Шаг створов или сетки установки манжетных колонн (L) определяется формулой: L = kм D (дм), где:
- D – принятый диаметр распространения суспензии при закреплении грунта (дм),
- Kм – коэффициент выравнивания массива, значение которого принимается от 0,6 до 0,9 в зависимости от назначения инъекционного закрепления и вида конструкции фундаментов.
Варианты схем установки манжетных колонн-инъекторов, для инъекции микро-цементов представлены в таблице ниже.
|
Односторонняя схема с одиночными инъекторами. Применяется для закрепления грунтов под неширокими ленточными или штучными фундаментами. Угол наклона смежных инъекторов рекомендуется принимать с разницей в несколько градусов. Точное значение угла наклона инъекторов определяется геометрическими построениями при симметричном позиционировании массивов относительно центральной оси фундаментов. |
 |
|
Односторонняя схема с несколькими инъекторами в одном створе. Применяется для закрепления грунтов под широкими ленточными или штучными фундаментами при невозможности доступа с одной из сторон. |
 |
|
Двухсторонняя схема с одиночными инъекторами. Применяется для закрепления грунтов под не широкими ленточными или штучными фундаментами при доступе с 2-х сторон. |
 |
|
Двухсторонняя схема с несколькими инъекторами в одном створе. Применяется для закрепления грунтов под широкими ленточными или штучными фундаментами при доступе с 2-х сторон. |
 |
|
Схема установки инъекторов по периметру. Применяется для закрепления грунтов вокруг свай и штучных фундаментов. |
 |
|
Схема установки инъектора в каркас изготавливаемой сваи. Применяется при устройстве свай с опорной корневой пятой. Инъектор устанавливается вместе с каркасом сваи. Инъекция осуществляется до истечения 24 часов после заливки сваи бетоном через разрывы в бетоне. |
 |
|
Схема установки инъекторов при устройстве горизонтальных экранов и целиков в грунте. Применяется при устройстве разгружающих экранов тоннелей, горизонтальных противофильтрационных экранов, целиков грунта для проходки штолен. Применяется треугольная сетка расположения инъекторов с ячейкой в виде равностороннего треугольника. При устройстве стен в грунте, вертикальных завес используется аналогичная схема в виде двух рядов инъекторов, смещенных на половину шага. |
 |
Рекомендации по принятию значения коэффициента выравнивания массива (kм)
| Проектная задача | Значение kм |
| Закрепление грунта под ленточными фундаментами | 0,9 |
| Закрепление грунта вокруг свай | 0,8 |
| Закрепление грунта при устройстве стен подвалов в существующих зданиях | 0,7 |
| Закрепление грунта под штучными фундаментами | 0,6 |
| Закрепление грунта при устройстве противофильтрационных завес и экранов, стен в грунте | 0,6 |
Диаметр манжетных труб инъекторов определяется по таблице ниже:
|
Длина инъектора (вертикальное расположение) |
|
| до 5 м | 1” (25 мм) |
| до 15 м | 1,5” (40 мм) |
| до 30 м | 2 “ (50 мм) |
| Горизонтальное расположение инъектора | 2” (50 мм) |
Диаметр инъекционной скважины Dскв определяется по формуле:
Dскв. = dинъект. + 50 мм, где dинъект – диаметр манжетной трубы.
Инъекционная скважина заполняется обойменным раствором, в который опускается манжетная колонна. При этом манжетная колонна заполняется водой.
Обойменный раствор выполняет функцию обойменного замка инъектора, который не позволяет инъекционной суспензии утекать вдоль манжетная колонна.
Обойма должна иметь низкую структурную прочность (до 1 МПа на сжатие). В момент подачи суспензии в зону определенной манжеты, манжета деформируется и в обойменном материале возникают поперечные трещины, которые и являются каналами доставки суспензии в грунт.
В качестве обойменного раствора рекомендуется применять цементно-бентонитовый раствор (цемент/бентонит/вода = 0,2/1,0/0,8) или тощий цементно-песчаный раствор. При использовании цементно-песчаного раствора время выстойки скважины до инъекционных работ не должно превышать 12 часов.
Глухая (безманжетная) часть инъектора заполняется цементно-песчаным раствором.
После проведения инъекции манжетная труба не извлекается.
Схема подачи инъекционной суспензии в грунт:
Размещение манжетная колонна в скважине должно соответствовать проектному положению массива закрепляемого грунта.
Расположение верхней манжеты должно находиться ниже проектной отметки верхней границы массива на 1/3 расстояния между манжетами, а расположение нижней манжеты - выше проектной отметки нижней границы массива на 2/3 расстояния между манжетами.
Данное смещение инъектора вверх компенсирует гравитационный отток суспензии вниз.