Что такое струйная цементация грунтов по технологии Jet Grouting

Струйная цементация грунтов (англ. jet grouting, «джет граутинг») — это способ закрепления грунта, при котором его структуру разрушают высоконапорной струёй и перемешивают с цементным раствором прямо в массиве. После твердения смеси в грунте остаётся грунтоцементный элемент — колонна из нового материала, который прочнее исходного грунта и намного хуже пропускает воду.

Главное отличие от классической инъекционной цементации в механизме. При инъекции раствор пропитывает поры и трещины, поэтому в плотных глинах он просто не расходится. Струя же режет и перемешивает грунт, и результат почти не зависит от проницаемости массива.

В статье разбираем, как устроена технология, чем отличаются Jet 1, Jet 2 и Jet 3, какие параметры задаёт проект, где метод применяют и где он не работает.

Если нужен расчёт для конкретного объекта, условия и цены приведены на странице услуги «Струйная цементация грунтов (Jet grouting)».

Основные термины и показатели

Термины, которые встретятся в тексте

• Грунтоцемент (грунтобетон) — затвердевшая смесь грунта и цементного раствора.
• Грунтоцементный элемент (ГЦЭ), jet-свая, грунтоцементная колонна — тело из грунтоцемента, обычно цилиндрической формы.
• Монитор — наконечник буровой колонны с боковыми соплами (форсунками), из которых выходит струя.
• Пульпа, или излив — смесь грунта, воды и раствора, которая во время работ выходит по скважине на поверхность.
• Геомассив — грунт, армированный сеткой грунтоцементных колонн и работающий как единое основание.

Технология в цифрах

Значения типичные для практики. Точные параметры задаёт проект и подтверждают опытные работы на площадке.

История технологии

Струйная цементация появилась в Японии в 1970-х годах и за десятилетие дошла до Европы и СССР. Сама идея укреплять грунт цементом намного старше: первую инъекцию цемента в грунт связывают с французским инженером Шарлем Бериньи и 1802 годом.

• 1970-е, Япония. Струю высокого давления впервые использовали, чтобы устроить тонкую стенку между шпунтовыми сваями. В середине десятилетия монитор начали вращать, и в грунте стали получаться колонны.
• Вторая половина 1970-х. Японская Kajima Corporation предложила трёхкомпонентную схему с водой, воздухом и раствором. Позже появились системы Super Jet и X-jet для колонн большого диаметра.
• Конец 1970-х, Европа и СССР. Технология широко применяется в европейском строительстве. В СССР первые схемы разработали «Гидроспецпроект» и «Гидроспецстрой» для противофильтрационных завес.
• 1987 год. НИИОСП им. Герсеванова на японском оборудовании устроил завесу из грунтоцементных колонн вокруг опоры моста.
• 1990-е годы и далее. Метод становится массовым: его применяют в метростроении, при усилении фундаментов и на транспортных объектах.

Хронология приведена по обзору в «Вестнике Инженерной школы ДВФУ» (2024).

Принцип действия технологии Jet Grouting

Технология использует кинетическую энергию струи. Насос создаёт давление 30–50 МПа, раствор выходит из сопла диаметром в несколько миллиметров со скоростью более 200 м/с и режет грунт вокруг скважины.

На каждой точке работы идут в два хода:

1. Прямой ход. Буровая установка проходит лидерную скважину до проектной отметки.
2. Обратный ход. Через сопла монитора подают раствор, а колонну штанг вращают и поднимают с заданной скоростью.

В грунте в это время происходит четыре процесса:

• струя разрушает структуру грунта и отрывает частицы;
• частицы перемешиваются с раствором в турбулентном потоке;
• избыток смеси поднимается по зазору между штангой и стенкой скважины и выходит на поверхность как пульпа;
• оставшаяся смесь твердеет и превращается в грунтоцемент.

Почему важен свободный выход пульпы

Свободный излив — обязательное условие качественной работы. Если зазор вокруг штанги закупоривается, давление в массиве растёт: возможны гидроразрыв грунта и подъём поверхности или соседних фундаментов. Поэтому оператор постоянно следит за выходом пульпы, а при его прекращении останавливает подачу.

Какую форму можно получить

Форма элемента зависит от движения монитора:

• полное вращение даёт цилиндрическую колонну;
• качание в заданном угле даёт сектор или полуколонну;
• подъём без вращения даёт плоскую панель.

Колонны, выполненные с пересечением, образуют сплошную стену, днище или массив. Скважины можно бурить вертикально, наклонно и горизонтально, в том числе сквозь существующий фундамент.

Рис. 1. Схемы устройства колонн по секторам

Виды струйной цементации: Jet 1, Jet 2 и Jet 3

Три основные схемы отличаются числом рабочих сред: чем их больше, тем крупнее колонна и сложнее оборудование. Эта классификация закреплена в СП 291.1325800.2017.

• Jet 1, однокомпонентная. Грунт разрушает сама струя цементного раствора. Схема простая и даёт плотный однородный грунтоцемент, но диаметр колонны наименьший.
• Jet 2, двухкомпонентная. Струю раствора окружает кольцевая струя сжатого воздуха. Воздушная рубашка снижает потери энергии в обводнённом грунте, и дальнобойность струи заметно растёт.
• Jet 3, трёхкомпонентная. Грунт размывает водяная струя в воздушной рубашке, а раствор подаётся отдельно через нижнее сопло под невысоким давлением. Грунт в основном замещается раствором, поэтому схема подходит для глин и органических грунтов.

Рис. 2. Схемы технологий Jet 1, Jet 2 и Jet 3

Давления и практические диаметры указаны как ориентир и зависят от оборудования и грунта.

Системы для сверхбольших диаметров

Помимо трёх базовых схем существуют фирменные системы. Super Jet работает при давлении раствора около 30 МПа и даёт колонны диаметром до 5 м. В X-jet две струи под давлением около 40 МПа пересекаются на заданном расстоянии от оси, что ограничивает диаметр колонны.

Технологические параметры: от чего зависит диаметр колонны

Диаметр и прочность колонны определяют не один, а шесть-семь связанных параметров. Их назначает проект, а окончательно подбирают на опытных колоннах.

Диапазоны типичны для практики и не заменяют проектный расчёт.

Энергия струи

Удобный обобщающий показатель — энергия, которую струя передаёт грунту на один метр колонны. Её считают по формуле, предложенной в работах А. Г. Малинина:

E = P · Q / v_t

Здесь E — энергия разрушения, МДж/м; P — давление нагнетания, МПа; Q — расход раствора, м³/с; v_t — скорость подъёма монитора, м/с.

Пример. При давлении 45 МПа, расходе 100 л/мин и подъёме 0,3 м/мин энергия составит около 15 МДж на метр. На этот метр уйдёт примерно 330 л раствора, а при В/Ц = 1,0 это около 250 кг цемента.

Из формулы следуют три практических вывода:

• чем медленнее подъём, тем больше диаметр, но выше расход цемента и объём пульпы;
• при одинаковой энергии колонна в глине получается меньше, чем в песке: связный грунт резать труднее;
• один и тот же режим в разных слоях даёт разный диаметр, поэтому в слоистой толще параметры меняют по глубине.

Как оценивают армированное основание

Когда колонны устраивают по сетке, грунт и грунтоцемент рассматривают как единый геомассив с эффективным модулем деформации:

E_ef = E_s · (1 − m) + E_c · m

E_s — модуль грунта, E_c — модуль колонны, m — доля площади, занятая колоннами. Для квадратной сетки m = 0,785·(d/s)², для треугольной m = 0,9·(d/s)², где d — диаметр колонны, s — шаг. Например, колонны диаметром 1,2 м с шагом 2,0 м по квадратной сетке занимают около 28 % площади.

Этапы производства работ

Полный цикл состоит из восьми шагов: от изысканий до приёмочных испытаний.

1. Изыскания и проект. По данным геологии выбирают схему Jet 1, 2 или 3, диаметр, шаг колонн и требуемую прочность грунтоцемента.
2. Опытные работы. На площадке выполняют пробные колонны на нескольких режимах, вскрывают их и замеряют фактический диаметр. По результатам уточняют рабочие параметры.
3. Подготовка площадки. Монтируют растворный узел, прокладывают линии высокого давления, готовят приямки или ёмкости для сбора пульпы.
4. Бурение лидерной скважины. Скважину диаметром порядка 100–150 мм проходят до проектной отметки с контролем вертикальности.
5. Струйная цементация. При подъёме и вращении штанг через монитор подают раствор. Давление, расход, скорость подъёма и вращения записывает регистратор.
6. Армирование. Если колонна должна работать на изгиб или растяжение, в свежий грунтоцемент погружают трубу, двутавр или арматурный каркас.
7. Сбор и вывоз пульпы. Излив собирают, дают ему затвердеть и вывозят как строительный отход.
8. Твердение и контроль. Прочность проверяют на образцах и кернах, обычно в возрасте 7 и 28 суток.

Соседние колонны обычно выполняют через одну. Так струя не размывает ещё не окрепший соседний элемент, а пересечение получается надёжным.

Какое оборудование нужно

• Буровая установка. От малогабаритной для подвалов до мачтовой для глубин в десятки метров.
• Насос высокого давления. Работает при 30–50 МПа и имеет запас по давлению.
• Растворный узел. Силос цемента, дозаторы, смеситель и накопительная ёмкость с перемешиванием.
• Компрессор. Нужен для схем Jet 2 и Jet 3.
• Штанги и монитор. Одно-, двух- или трёхканальные; сопла делают из износостойких сплавов, потому что цементный раствор абразивен.
• Система регистрации параметров. Пишет протокол по каждой колонне, который входит в исполнительную документацию.

Рис. 3. Состав комплекса оборудования: силос, растворный узел, насос, буровая установка

В каких грунтах применяют и каким получается грунтоцемент

Струйная цементация работает в песчаных, супесчаных, суглинистых и глинистых грунтах. Лучше всего она показывает себя в песках: там и диаметр больше, и прочность выше.

Значения прочности — практический ориентир, а не норматив. В лабораторных опытах НИЦ «Строительство» прочность менялась от 0,5 до 22 МПа в зависимости от грунта и водоцементного отношения.

Что влияет на прочность

• Содержание цемента и В/Ц. Чем меньше воды в растворе, тем плотнее и прочнее грунтоцемент.
• Глинистые частицы. Их присутствие снижает прочность.
• Зерновой состав песка. Крупные и разнозернистые пески дают более прочный материал, чем пылеватые.
• Органика и агрессивные воды. Требуют специальных цементов и добавок.
• Возраст. Грунтоцемент набирает прочность медленнее бетона и продолжает твердеть после 28 суток.

Другие свойства

Грунтоцемент жёстче природного грунта в разы. В опубликованных проектах дорожных объектов модуль деформации слабых грунтов составлял 2,3–8,0 МПа, а от закреплённого массива требовали не менее 30–60 МПа.

Водопроницаемость песка после закрепления падает на несколько порядков. На этом основано применение технологии для противофильтрационных завес.

Области применения струйной цементации

Технологию применяют там, где нужно усилить грунт, отсечь воду или удержать стенки выемки, а ударные и вибрационные методы недопустимы или нет места для тяжёлой техники.

Усиление оснований и фундаментов

Колонны устраивают под подошвой существующего фундамента, в том числе бурением сквозь него. Малогабаритная установка работает из подвала, поэтому здание не нужно выводить из эксплуатации. Так решают задачи надстройки этажей, заглубления подвалов и остановки осадок.

Подробнее о методах — в разделе «Усиление фундаментов».

Фото 1. Малогабаритная буровая установка в подвале здания

Ограждение котлованов

Ряд пересекающихся колонн образует стену, которая одновременно держит грунт и не пропускает воду. Для работы на изгиб колонны армируют трубами или двутаврами. Пример из отраслевой практики: котлованы опор моста через реку Белую глубиной 8–10 м ограждали двухрядной стеной из колонн диаметром 1,2 м и длиной 14–14,5 м с армированием трубами 159×6 мм.

Смотрите также проектирование ограждений котлованов.

Фото 2. Стена из грунтоцементных колонн после откопки котлована

Противофильтрационные завесы

Завесы бывают вертикальными и горизонтальными. Горизонтальная завеса закрывает дно котлована в водонасыщенных песках, когда водоупор лежит глубоко. На опорах моста через Волгу на трассе М-12 такую завесу мощностью 2,0 м выполнили из колонн диаметром 1,2 м.

О колоннах в форме секторов для таких завес рассказывает статья о грунтоцементных колоннах некругового сечения.

Фото 3. Котлован разработан до проектной отметки

Армирование слабых оснований

Сетка колонн превращает слабый грунт в геомассив под насыпью, фундаментной плитой или резервуаром. Для насыпи высотой 8–12 м на ВСМ Москва — Казань предложены колонны диаметром 1,2 м по сетке 2,0×2,0 м под центром и 2,6×2,6 м под откосами. Допустимая осадка в этом решении составляет 30 мм.

Фото 4. Цементация грунтов при строительстве завода Haval в Тульской области

Тоннели и метро

Грунт закрепляют в местах входа и выхода проходческого щита, вокруг стволов и под зданиями над трассой. При горизонтальной струйной цементации из забоя устраивают защитный экран из колонн над будущей выработкой.

Подробнее — в статье «Укрепление грунтов в основании тоннелей».

Гидротехника, склоны и карст

• Причалы и набережные. При реконструкции причалов № 34 и 35 в порту Находка дно углубили с −9,75 до −12,5 м, не выводя причалы из работы.
• Дамбы и плотины. Завесы в теле и основании сооружения снижают фильтрацию.
• Откосы и склоны. Колонны пересекают поверхность скольжения и работают как шпонки.
• Карст и суффозия. Разуплотнённые зоны и полости заполняют и закрепляют над карстующимися породами.

Фото 5. Укрепление грунтов причала в порту на Дальнем Востоке

Преимущества и ограничения технологии

Сильные стороны метода — универсальность по грунтам и работа без динамики в стеснённых условиях. Слабые — большой объём пульпы и зависимость результата от режима и геологии.

Преимущества

• Широкий диапазон грунтов. От гравелистых песков до глин и илов, включая слоистые толщи.
• Нет ударов и вибраций. Можно работать вплотную к старым зданиям и коммуникациям.
• Малая скважина, большой элемент. Через отверстие 100–150 мм получают колонну диаметром до 1–2 м и более.
• Работа в стеснённых условиях. Малогабаритные установки помещаются в подвалах и цехах.
• Закрепление заданного интервала. Колонну можно устроить только в нужном слое, не трогая грунт выше.
• Работа ниже уровня грунтовых вод. Водопонижение не требуется.
• Две функции в одном элементе. Стена из колонн одновременно несёт нагрузку и отсекает воду.
• Высокая производительность. Одна установка выполняет до 300 погонных метров колонн в сутки.

Ограничения и риски

• Пульпа. Её объём сопоставим с объёмом закачанного раствора. Сбор, хранение и вывоз нужно планировать заранее.
• Разброс диаметра. В неоднородном грунте диаметр меняется по глубине, поэтому без опытных колонн проект остаётся предположением.
• Валуны и крупные включения. Струя их не разрушает, за ними остаётся незакреплённый грунт.
• Сильный поток грунтовых вод. Может вымывать цемент из свежей колонны до схватывания.
• Отклонение скважин. На большой глубине даже малый угол разводит соседние колонны, и в завесе появляются «окна».
• Подъём грунта. При закупорке излива возможны гидроразрыв и деформации соседних фундаментов.
• Прочность ниже, чем у бетона. На изгиб и растяжение грунтоцемент без армирования не рассчитывают.
• Мёрзлые грунты. СП 291.1325800.2017 распространяется только на талые грунты.

Сравнение с другими методами

Jet Grouting выбирают, когда нужен прочный элемент заданной формы в любом дисперсном грунте и при ограниченном доступе. В простых условиях альтернативы бывают дешевле.

На практике методы часто сочетают. Типичный пример — шпунт или буровые сваи по контуру котлована и горизонтальная завеса из грунтоцементных колонн в его дне.

О смежных технологиях читайте отдельно: манжетная цементация, буросмесительный метод, шпунтовое ограждение.

Контроль качества грунтоцементных элементов

Колонну в грунте не видно, поэтому качество подтверждают на трёх уровнях: материалы, процесс и результат.

Входной контроль

Проверяют цемент и раствор: плотность, вязкость, водоотделение и сроки схватывания. Плотность раствора — быстрый индикатор В/Ц: по данным НИЦ «Строительство», при росте В/Ц с 0,8 до 3,0 она падает с 1,63 до 1,22 г/см³.

Операционный контроль

• Автоматическая запись глубины, давления, расхода, скорости подъёма и вращения по каждой колонне.
• Наблюдение за изливом: его наличие, плотность и цвет.
• Отбор образцов пульпы в формы для последующих испытаний на сжатие.
• Геодезический мониторинг соседних зданий и поверхности, если работы идут в застройке.

Приёмочный контроль

• Керны. Основной нормативный метод: из готовой колонны выбуривают керн и испытывают на одноосное сжатие.
• Вскрытие опытных колонн. Оголовок откапывают и замеряют фактический диаметр.
• Штамповые испытания. Показывают деформативность армированного основания.
• Геофизические методы. Помогают оценить сплошность массива или завесы.
• Опытные откачки. Для противофильтрационных завес проверяют фактический приток воды в котлован.

Фото 6. Замер диаметра вскрытой грунтоцементной колонны

Приёмочные методы работают уже после твердения и не позволяют исправить колонну. Поэтому исследователи развивают оперативный контроль по плотности пульпы: чем она плотнее, тем выше ожидаемая прочность грунтоцемента.

Нормативная база

В России струйную цементацию проектируют и принимают по трём сводам правил и профильному ГОСТу на растворы.

На сайте доступно методическое пособие по укреплению грунтов методами струйной цементации.

От чего зависит стоимость работ

Стоимость считают за погонный метр колонны или за кубометр закреплённого грунта, и она сильно зависит от объекта. На цену влияют восемь факторов:

• Объём. Чем больше метраж, тем меньше доля мобилизации в цене метра.
• Схема и диаметр. Jet 2 и Jet 3 требуют больше оборудования и цемента на метр, но закрепляют больший объём грунта.
• Грунты. В глинах и органических грунтах расход цемента и время на метр выше.
• Глубина. Определяет класс буровой установки и объём холостого бурения.
• Стеснённость. Работа в подвале или действующем цехе идёт медленнее.
• Армирование. Трубы, двутавры и каркасы считают отдельно.
• Пульпа. Сбор и вывоз отходов в городе — заметная статья затрат.
• Опытные работы и контроль. Пробные колонны, керны, лаборатория, мониторинг.

Для предварительного расчёта подрядчику нужны отчёт об инженерно-геологических изысканиях, проект или техническое задание, план площадки и сведения об ограничениях по высоте и доступу.

Частые вопросы о струйной цементации

Чем струйная цементация отличается от обычной инъекционной?

При инъекции раствор заполняет поры и трещины, а структура грунта сохраняется. При струйной цементации грунт разрушается струёй и перемешивается с раствором. Поэтому метод работает и в глинах, куда инъекционный раствор не проникает.

Какого диаметра получаются грунтоцементные колонны?

По схеме Jet 1 — обычно 0,4–0,8 м, Jet 2 — 1,0–2,0 м, Jet 3 — до 2,5–3,0 м. В песках диаметр больше, чем в глинах при том же режиме. Фактический диаметр подтверждают на опытных колоннах.

Какую прочность набирает грунтоцемент и за какое время?

Ориентир на 28 суток: 3–10 МПа в песках и 1–3 МПа в глинистых грунтах. Прочность зависит от содержания цемента и водоцементного отношения и продолжает расти после 28 суток.

В каких грунтах Jet Grouting не применяют?

В скальных грунтах и в крупнообломочных с валунами: струя не разрушает крупные включения. Осторожности требуют грунты с быстрым потоком подземных вод и с высоким содержанием органики.

Можно ли работать внутри здания и рядом с существующими фундаментами?

Да. Малогабаритные установки работают в помещениях высотой от 2–2,5 м, а технология не создаёт ударов и вибраций. Обязательны контроль излива и геодезический мониторинг здания.

Что такое пульпа и куда её девают?

Пульпа — это излишки смеси грунта, воды и цемента, которые выходят из скважины при работе. Её собирают в приямки или ёмкости, после твердения вывозят как строительный отход.

Можно ли армировать грунтоцементные сваи?

Да. В свежую колонну погружают стальную трубу, двутавр или арматурный каркас. Такие конструкции проектируют по СП 291.1325800.2017.

Ведут ли работы зимой?

Да, если грунт в зоне закрепления талый. Растворный узел и линии подачи утепляют, воду для раствора подогревают.

Сколько служат грунтоцементные конструкции?

Срок службы зависит от агрессивности грунтовых вод и состава раствора. Для постоянных конструкций долговечность — отдельное проектное требование: под него подбирают цемент и добавки.

Заключение

Струйная цементация — универсальный способ закрепить грунт без ударов и вибраций. Струя под давлением 30–50 МПа превращает грунт в грунтоцементную колонну заданного диаметра, а выбор схемы Jet 1, Jet 2 или Jet 3 зависит от грунта и требуемого размера элемента.

Результат определяют три вещи: грамотный проект, опытные колонны на площадке и контроль каждого элемента. При их соблюдении технология решает задачи от усиления фундамента в подвале до завесы в дне глубокого котлована.

Оценить применимость метода на вашем объекте и запросить расчёт можно на странице струйной цементации грунтов.