КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ГЕОТЕХНИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ, СОЗДАННЫХ МЕТОДОМ СТРУЙНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ

АННОТАЦИЯ. В статье рассматривается возможность организации контроля качества свай и массивов, изготовленных с использованием струйной технологии Jet grouting method. Оперативный контроль осуществляется на основе применения скважинных акустических и георадарных методов. Рассмотрены возможности волновых методов. Применение скважинных акустических наблюдений позволяет следить за качеством проводимого закрепления грунтов на основании изучения кинематики и динамики распространения продольных волн и гидроволн вдоль оси скважины. Имеющийся опыт исследований говорит о достаточной перспективности совместного применения акустических и георадарных скважинных методов при решении задач, связанных с определением прочностных свойств и конструктивного строения находящихся в грунте строительных конструкций.

Для искусственного закрепления грунтовых массивов и создания различных геотехнических конструкций сейчас достаточно широко используется струйная технология, известная в большинстве стран как Jet grouting method. Основной идеей струйной технологии является подземный размыв грунта горизонтальными струями из заранее пробуренных скважин с образованием полостей в грунте, синхронное заполнение этих полостей материалом с требуемыми свойствами и перемешивание разрыхленного грунта с твердеющим раствором. Применение технологии позволяет составлять массивы с заданными свойствами, сооружать под землей фундаменты, сваи, искусственные основания, подпорные стены, горизонтальные и наклонные плиты и экраны, противофильтрационные завесы, дренажные конструкции, ограждения котлованов и пр. [1]. В связи с эти проблема определения качества проведенных («скрытых») работ является довольно актуальной.

При производстве свай в сложных инженерно-геологических и гидрогеологических условиях вначале изготавливаются экспериментальные сваи для выбора оптимального технологического режима. Для определения прочностных и геометрических характеристик экспериментальных грунтоцементных свай, изготовленных по разным технологическим режимам, используются и могут быть использованы следующие способы контроля:

• анализ характеристик вымываемого шлама;
• отрывка свай на возможную глубину;
• выбуривание и испытание керна;
• испытание свай статистическими нагрузками;
• скважинные каротажные наблюдения методами ультразвукового, акустического, электрометрического и электромагнитного (георадар) каротажа.

Каждый из перечисленных выше методов контроля обладает определенными недостатками: трудоемкость и высокая стоимость, локальный характер получаемых результатов, невысокая точность, что требует совместного их применения (комплексирования). Получение усредненных характеристик не всегда достаточно для практических целей, и в большинстве случаев требуется более полная информация: в частности определение in situ деформационных, прочностных и геометрических характеристик, сплошности, проницаемости и других параметров по всей глубине сваи. В принципе данная задача наиболее строго решается с помощью колонкового бурения с отбором монолитов для последующих лабораторных испытаний. Однако на практике при бурении грунтоцементных свай невозможно получить 100%-й выход керна, более того, часть монолитов может оказаться с нарушенной структурой. Для выделения монолитов с ненарушенной структурой требуется применение ультразвуковых методов. В стволе скважины проводится ультразвуковой каротаж, а в выделенных монолитах определяется скорость распространения ультразвука. Монолитом с ненарушенной структурой может считаться монолит, если скорость ультразвука в нем совпадает со скоростью, определяемой по ультразвуковому каротажу в месте его отбора. Очевидно, что подробная методика контроля является довольно трудоемкой, хотя и обеспечивает достаточную точность и надежность измерений. Естественно, что для широкого контроля за изготовлением грунтоцементных свай и массивов необходимо иметь и методы, позволяющие оперативно и без значительных затрат вести контроль за большим числом объектов, хотя бы и с потерей точности измерений.

Для решения подобных задач достаточно удобными оказались методы, основанные на наблюдении волн давления, возбуждаемых в водонаполненной скважине электроискровым источником типа Sparker в низкочастотном акустическом диапазоне колебаний [3]. Геофизические методы используются совместно с буровыми, лабораторными и полевыми методами испытания свай и в большинстве случаев являются хорошим дополнением последних благодаря своей производительности и невысокой стоимости. Для проведения акустических наблюдений в искусственно закрепленных массивах могут быть использованы технологические скважины, пробуренные в ходе проведения струйной цементации, которые обсаживаются пластиковыми трубами сразу же после окончания изготовления сваи для проведения геофизических наблюдений. Установка пластиковой трубы в еще не застывшую сваю позволяет сократить объемы буровых работ и вести наблюдения с первых дней формирования сваи. Подобная технология устройства наблюдательных скважин сходна с технологией, используемой в отечественной и зарубежной практике для исследования буронабивных свай. В зарубежной литературе данный метод носит название CHUM (Cross-Hole Ultrasonic Monitor). Проведение измерений регламентируется европейским стандартом ASTM D67760.

К настоящему времени накоплен значительный опыт проведения малоглубинных скважинных работ с электроискровым источником, в частности, при исследовании искусственно закрепленных грунтовых массивов и грунтоцементных свай [2]. Основным преимуществом данного метода является отсутствие необходимости прижима источника и приемника к стенке скважины, что позволяет проводить измерения при непрерывном перемещении измерительной установки вдоль скважины.

Акустические наблюдения проводятся следующими способами:

• измерения при непрерывном движении источника (приемника) при стационарном положении приемника (источника) на забое или устье скважины – потенциальный каротаж (рис. 1, а);
• измерения при фиксированном положении источник-приемник и непрерывном перемещении всей установки – дифференциальный каротаж (рис. 1, б);
• межскважинное акустическое просвечивание (томография).

Применение скважинных сейсмоакустических наблюдений позволяет следить за качеством проводимого искусственного закрепления грунтов на основании изучения кинематики и динамики распространения объемных волн и гидроволн вдоль оси скважины. Одной из особенностей распространения гидроволн является экспоненциальное уменьшение их амплитуды при удалении от оси скважины. При исследовании отдельных грунтоцементных свай, имеющих эффективный диаметр 0,8 – 1,5 м, необходимо использовать излучатели, создающие гидроволны, длина волны которых сопоставима с диаметром исследуемой сваи. При соблюдении этого условия кинематические и динамические характеристики наблюдаемых гидроволн в основном определяются деформационными и прочностными характеристиками материала сваи. Гидроволны в большинстве скважинных методов относятся к разряду волн-помех, в данном случае используется их полезное свойство – направленность распространения акустической энергии. Распространяясь вдоль скважины, гидроволны испытывают отражение от неоднородностей в теле сваи и от земной поверхности и забоя скважины. Таким образом, гидроволны могут использоваться для получении информации о строении и свойствах материала сваи. Динамические характеристики гидроволн (амплитуда, спектральный состав, коэффициент поглощения) также позволяют оценить прочностные и геометрические характеристики сваи и сделать заключение о ее сплошности.

Качество проводимого искусственного закрепления грунтов в ряде случаев может оказаться неудовлетворительным, особенно в сложных гидрогеологических и инженерно-геологических условиях. Поэтому необходим постоянный контроль за формированием свай и искусственно закрепленных массивов. Изменение прочностных характеристик грунтового массива корреляционно связано с изменением скорости (интервального времени) пробега объемных волн и гидроволн (рис. 2).

При распространении низкочастотных гидроволн вдоль водонаполненной скважины может наблюдаться явление частотной дисперсии вблизи поницаемых зон [6]. Для низкочастотных гидроволн, распространяющихся вдоль водонаполненной скважины, находящейся внутри грунтоцементной сваи, может наблюдаться дисперсия, обусловленная наличием поверхности раздела сваи и вмещающего грунта («геометрическая» дисперсия). Причиной данного явления, сходного с дисперсией волн Рэлея на поверхности слоистого полупространства, является то обстоятельство, что на скорость распространения гидроволн, длина которых превышает эффективный диаметр сваи, начинают оказывать влияние упругие свойства вмещающего грунта. Используя фильтры с узкой полоской пропускания, либо исследуя фазовые спектры гидроволн, прошедших разные расстояния вдоль скважины, можно определить характер дисперсионных кривых (рис. 3). Значения левой и правой асимптот дисперсионных кривых позволяют определить соотношение скорости гидроволны в теле сваи и во вмещающем массиве, что дает возможность использовать количественные критерии оценки степени искусственного закрепления грунтового массива: в частности, отношения скоростей гидроволн в закрепленном и незакрепленном массивах, отношения акустических жесткостей либо модулей деформации, полученных по эмпирическим зависимостям [5].

Применение при проведении скважинных акустических исследований непрерывного режима регистрации позволяет получать избыточный объем записываемой информации (шаг регистрации трасс – 5 – 10 см), что дает возможность более эффективно применять процедуры обработки и, соответственно, более детально исследовать строение массива.

Режимные наблюдения в грунтоцементных сваях и свайных массивах позволяют следить за динамикой твердения грунтоцементного массива, что необходимо для выбора оптимальных технологических режимов проведения работ методом струйной технологии, в частности, таких как водно-цементное соотношение, процентное содержание связующих добавок, давление, скорость подъема монитора и т.д. В результате режимных наблюдений определяется изменение скорости пробега, объемных волн и гидроволн в теле сваи и, соответственно, изменение ее прочностных характеристик (рис. 4). Для оценки прочностных характеристик материала сваи и массивов, формируемых на основе свай, используются заранее установленные на основании лабораторных или полевых испытаний эмпирические корреляционные зависимости между скоростями упругих волн и модулем деформации или пределом прочности на одноосное сжатие вида

R_сж = f(V_p, V_S, V_g) [4].

Эффективный радиус грунтоцементных свай определяется с помощью изучения интерференции прямой объемной волны, отраженной от стенки сваи. При значительных различиях в акустической жесткости сваи и вмещающего массива могут наблюдаться явления, сходные с толщинным (полуволновым) резонансом.

Интерпретация данных акустических измерений в скважинах, находящихся в одиночных сваях, заключается в определении отражений, связанных с неоднородностями, присутствующими в теле сваи и в массиве грунта в непосредственной близости от сваи. Такими отражающими границами могут быть, в частности, уровень грунтовых вод, границы контрастных слоев, остатки строительных конструкций и другие объекты (рис. 5).

В большинстве случаев задачей интерпретации акустических наблюдений в скважинах является определение однородности и прочностных характеристик искусственно закрепленного массива (предела прочности, модуля деформации, модуля сдвига) и соответствия их проектным значениям.

Сейсмоакустические скважинные методы наблюдения в грунтоцементных сваях и массивах могут применяться для решения следующих задач:

• исследование одиночных экспериментальных свай с целью наблюдения за динамикой набора прочности;
• контроль качества одиночных грунтоцементных свай, используемых для армирования грунтового основания дорожного полотна;
• контроль качества ограждающих конструкций котлованов и противофильтрационных завес;
• контроль качества грунтоцементных массивов лотковой части котлована;
• контроль качества грунтоцементных массивов, используемых в качестве оснований буронабивных свай и мостовых опор, оснований фундаментов.

Оценка деформационных и прочностных характеристик и сплошности протяженных грунтоцементных массивов, формируемых из секущихся свай, например ограждающих конструкций котлованов, производится путем сейсмического прозвучивания между соседними скважинами. Прозвучивание в зависимости от сложности инженерно-геологической ситуации может проводиться по различным методикам: наблюдения на параллельных и косых лучах, вплоть до построения томографической системы наблюдений.

На практике обычно используются: параллельное просвечивание; веерная система наблюдений; томографическая система наблюдений.

Параллельное просвечивание и веерная система наблюдений используются в наиболее простых случаях, когда требуется определить лишь факт наличия или отсутствия неоднородностей. С применением веерной системы можно указать примерное положение неоднородности относительно диагоналей прямоугольника, образуемого скважинами. Более точное распределение неоднородностей в пространстве между скважинами можно получить, решив задачу томографического обращения.

При проведении межскважинного просвечивания составляется томографический разрез в параметрах скоростей или прочностных характеристик, по которым определяется наличие неоднородностей в изучаемом разрезе (рис. 6).

В дополнение к сейсмоакустическим методам для детального изучения внутренней структуры грунтоцементных свай и изучения их геометрических характеристик могут быть использованы скважинные ультразвуковые и георадарные наблюдения. Аппаратура и методика ультразвуковых скважинных наблюдений достаточно хорошо отработаны. Георадарные измерения для исследования малоглубинных скважин применяются сравнительно недавно и представляют интерес возможностью изучения электрофизических свойств закрепленных грунтов, свай и конструкций, изготавливаемых на их основе непосредственно в грунтовом массиве. Существующие георадары позволяют проводить наблюдения в водонаполненных скважинах при непрерывном движении и фиксированном направлении антенны (рис. 7), а также круговое сканирование околоскважинного пространства с равномерным шагом по глубине. Антенна георадара имеет определенную характеристику направленности, что позволяет осуществлять направленные наблюдения и круговое сканирование околоскважинного пространства. Главным достоинством георадарного метода является возможность получения непрерывного изображения исследуемой границы между сваей (или свайным массивом) и вмещающим грунтом.

Применение георадара позволяют также отслеживать изменения свойств раствора, заполняющего скважину, обусловленные проникновением мелкодисперсного цементного и глинистого материала, и состояние контакта обсадной трубы с грунтом, оказывающих влияние на проведение акустических исследований.

Применение георадиолокации может оказаться полезным при исследовании подземной части сооружения, например фундамента здания или опоры моста, при проведении наблюдений в скважине, пробуренной вблизи конструкции. Подобные работы могут применяться, когда непосредственное вскрытие фундамента или подземных конструкций не представляется возможным по ряду причин (рис. 8).

При проведении скважинных георадарных наблюдений внутри сваи или вблизи ее фиксируется отражение от боковой поверхности сваи, что позволяет в ряде случаев определять не только длину сваи, но и оценивать ее форму.

Имеющийся опыт исследований свидетельствует о перспективности совместного применения акустических и георадарных скважинных методов при решении малоглубинных инженерных и инженерно-геологических задач, связанных с определением прочностных свойств и конструктивного строения находящихся в грунте строительных конструкций.

С помощью скважинных георадарных наблюдений могут решаться следующие технологические задачи:

• исследование свай сложной формы и конструкций, создаваемых на их основе (ограждения котлованов, противофильтрационные завесы, основания фундаментов и т.п.);
• круговое сканирование околоскважинного пространства с целью обнаружения природных и техногенных объектов;
• определение глубины заложения свайных фундаментов;
• наблюдение за динамикой набора прочности грунтоцементных свай.

При наблюдениях в скважинах, расположенных внутри свайных конструкций, для оценки изменения прочностных свойств материала свай могут использоваться динамические характеристики регистрируемых сигналов (атрибутный анализ).

Проведенные совместные акустические и георадарные наблюдения внутри грунтоцементных свай позволяют сделать заключение о наличие корреляции между кинематическими и динамическими характеристиками гидроволн и электромагнитных волн.

Таким образом, из результатов проведенных работ следует, что использование многоволновых сейсмоакустических наблюдений позволяет построить достаточно эффективную и производительную технологию оценки качества геотехнических конструкций, созданных методом струйной цементации, который применяется в технически сложных условиях крупного современного строительства.

ЛИТЕРАТУРА

1. Брайд И.И., 2004, Струйная геотехнология: М., Ассоциация строительных вузов.
2. Владов М.Л., Калинин В.В., Старовойтов А.В., Шалаева Н.В., 2005, Опыт сейсмоакустического обследования грунтоцементных свай: Разведка и охрана недр, 12.
3. Калинин А.В., Владов М.Л., Мусатов А.А., Шалаева Н.В., Кузуб Н.А., 1988, О комплексном изучении характеристик волнового поля в скважине с целью расчленения разреза по инженерно-геологическим свойствам пород: Докл. АН СССР, 299, 2.
4. Ляховицкий Ф.М., 1964, О соотношении упругих и прочностных свойств горных пород: Геофизические исследования, 1: М., МГУ.
5. Никитин В.Н., 1981, Основы инженерной сейсмики: М., МГУ.
6. Уайт Дж.Э., 1986, Возбуждение и распространение сейсмических волн: М., Недра.