Разработка стратегии выбора наиболее эффективного варианта инъекционного закрепления водонасыщенных грунтов оснований исторических объектов Санкт-Петербурга

Полный текст

Введение

Санкт-Петербург, являясь культурным центром мирового значения, обладает уникальным архитектурным достоянием, включающим более 8000 объектов культурного наследия, из которых более 4000 имеют федеральное значение [1]. Исторический центр города, включенный в список объектов всемирного наследия ЮНЕСКО в 1990 году, представляет собой сложный комплекс зданий и сооружений, построенных на слабых водонасыщенных грунтах [2]. Эти грунты, представленные преимущественно глинистыми и песчаными отложениями четвертичного возраста, характеризуются низкой несущей способностью и склонностью к тиксотропным изменениям при природных и техногенных воздействиях [3, 4]. Одной из проблем в таких грунтовых условиях являются неравномерные осадки оснований и деформации исторических зданий, вызванные гниением деревянных элементов фундаментов, таких как лежни и сваи, которые традиционно использовались для распределения нагрузки на слабые грунты [5, 6]. Понижение уровня грунтовых вод в результате антропогенной деятельности техногенного характера привело к ускоренному разрушению этих элементов, что создает угрозу для сохранности исторических объектов [7]. В связи с этим возникает необходимость разработки эффективных методов укрепления грунтовых оснований и, в том числе, консервации деревянных конструкций с использованием инъекционных технологий [8]. Эти технологии позволяют улучшить прочностные и деформационные характеристики грунтов путем инъекции в основание фундаментов специальных растворов, таких как микроцементы, органо-силикатные и акрилатные составы. Однако выбор наиболее эффективных растворов и технологий их применения требует всесторонних исследований и тщательного анализа инженерно-геологических условий, свойств растворов и их взаимодействия с различными типами грунтов.

Целью статьи является обоснование наиболее эффективных способов закрепления водонасыщенных песчаных и пылевато-глинистых грунтов оснований исторических объектов Санкт-Петербурга инъекционными растворами. Для достижения этой цели поставлены задачи, включающие оценку инженерно-геологических условий, анализ современных инъекционных растворов и технологий, разработку методики экспериментальных исследований и выбор оптимальных решений для различных типов грунтов.

1.     Оценка инженерно-геологических условий как фактора риска для зданий

Санкт-Петербург расположен в зоне сложных грунтовых условий, обусловленных геологическим строением региона. Основания исторических объектов города представлены преимущественно водонасыщенными грунтами четвертичного возраста, включающими пески, суглинки и глины. Эти грунты характеризуются высокой обводненностью, низкой несущей способностью и значительной сжимаемостью. Исторически для строительства фундаментов использовались деревянные сваи и лежни, которые в условиях постоянного контакта с водой и воздухом подвержены биологическому разрушению (гниению). Понижение уровня грунтовых вод, вызванное техногенными факторами, такими как дренажные работы и освоение подземного городского пространства по причине урбанизации, приводит к окислению древесины и ускорению деградации фундаментов. Таким образом, укрепление грунтов и консервация деревянных элементов могут стать позитивным решением для сохранения зданий исторической застройки.

2.     Методы инъекционного закрепления

Инъекционное закрепление грунтов представляет собой процесс введения в грунтовую среду специальных растворов, которые, затвердевая, повышают прочностные и деформационные характеристики массива [9]. Основные механизмы действия включают заполнение пор, связывание частиц грунта и создание прочной структуры. Эффективность метода зависит от типа грунта (его пористости, гранулометрического состава и т. п.), свойств инъекционного раствора (вязкости, времени схватывания) и технологии введения в грунт (давления, способа подачи).

Методы инъекционного закрепления классифицируются по типу растворов и способу их введения.

По типу растворов: цементация (на основе цементов, включая микроцементы), силикатизация (органо-силикатные составы), смолизация (акрилатные и полимерные растворы).

По способу введения: пропитка (низкое давление), струйная цементация (высокое давление с разрушением структуры грунта), гидроразрывы (создание трещин для проникновения раствора), манжетная технология (локальная подача через специальные устройства).

Каждый из методов имеет свои преимущества и ограничения, которые необходимо учитывать при выборе стратегии закрепления для конкретных условий.

Современная геотехническая практика предлагает широкий спектр растворов для инъекционного закрепления грунтов. В настоящей статье рассматривается три типа растворов, получивших практическое использование:

Микроцементные растворы ‒ основаны на мелкодисперсном цементе с размером частиц менее 15 мкм. Благодаря высокой проникающей способности они эффективны для песчаных и пылеватых грунтов. Обеспечивают высокую прочность и устойчивость к вымыванию.

Органо-силикатные составы ‒ представляют собой комбинацию силикатов натрия или калия с органическими добавками. Применяются для укрепления глинистых грунтов и обладают способностью к химическому взаимодействию с грунтовой средой, снижая водопроницаемость.

Акрилатные растворы – это полимерные гели с низкой вязкостью, которые подходят для мелкопористых грунтов. Отличаются быстрым схватыванием и эластичностью, что делает их перспективными для консервации деревянных элементов за счет создания защитного слоя.

Выбор раствора определяется его проницаемостью в грунт, а также задачами укрепления (увеличение прочности, снижение деформаций, гидроизоляция).

При этом основными требованиями, предъявляемыми к инъекционным растворам, являются:

• прочность и долговечность ‒ способность раствора обеспечивать долговременную устойчивость грунтов;
• вязкость и текучесть ‒ оптимальные реологические свойства для проникновения в поры грунта;
• время схватывания ‒ контроль скорости твердения раствора в зависимости от условий эксплуатации;
• адгезия с грунтом ‒ обеспечение прочного сцепления раствора с частицами грунта;
• устойчивость к усадке ‒ минимизация деформаций при твердении;
• экологичность ‒ безопасность для окружающей среды;
• химическая совместимость с грунтом ‒ отсутствие негативного взаимодействия с грунтовыми водами и минералами;
• температурная устойчивость ‒ сохранение свойств при изменении температурных условий;
• экономичность ‒ оптимальное соотношение стоимости и эффективности;
• технологичность ‒ удобство применения в различных условиях [10].

Для реализации инъекционных методов применяются различные технологии (рис. 1).

 

Рис. 1. Технологии инъекционного закрепления грунтов: а ‒ режим пропитки; б ‒ струйная цементация; в ‒ гидроразрывы; г ‒ манжетная технология

Fig. 1. Technologies of injection soil stabilization: a – impregnation mode; b ‒ jet cementation; c ‒ hydraulic fracturing; d ‒ cuff technology

 

Режим пропитки: раствор вводится под низким давлением, заполняя поры грунта без нарушения его структуры (рис. 1, а). Подходит для песчаных легко проницаемых грунтов.

Струйная цементация: высоконапорная струя раствора разрушает грунт, замещая его цементно-грунтовой смесью (рис. 1, б). Эффективна для создания укрепленных зон в неоднородных грунтах.

Гидроразрывы: раствор подается под давлением, вызывающим контролируемое растрескивание грунта, что улучшает проникновение в глинистые слои (рис. 1, в).

Манжетная технология: используются инъекционные трубы с манжетами для точечного введения раствора, минимизируя его расход (рис. 1, г).

Каждая технология требует адаптации к конкретным гидрогеологическим условиям и типу грунта, что подчеркивает необходимость дополнительного экспериментального обоснования [11].

Деревянные лежни и сваи, традиционно используемые в Санкт-Петербурге, подвержены гниению в условиях изменения уровня грунтовых вод [12]. Инъекционные растворы могут не только укреплять грунт, но и выполнять консервирующую функцию, проникая в древесину и предотвращая доступ кислорода и влаги. Теоретически, акрилатные растворы и органо-силикатные составы обладают наибольшим потенциалом для этой задачи благодаря их гидрофобным свойствам и способности к глубокому проникновению.

Основа таких исследований базируется на комплексном анализе взаимодействия грунтов и растворов, а также на особенностях применяемых инъекционных технологий. Для выбора оптимального варианта следует учитывать:

• инженерно-геологические условия (тип грунта, водонасыщенность, пористость);
• физико-химические свойства растворов (вязкость, время схватывания, адгезия к грунту и древесине);
• технологические параметры (давление, глубина инъекций, объем раствора).

Экспериментальные исследования в лабораторных и полевых условиях позволяют оценить эффективность каждого раствора и метода, а также разработать рекомендации для практического применения.

3.     Разработка методики эффективного способа инъекционного закрепления

Для достижения цели исследования ‒ научного обоснования выбора наиболее эффективного способа инъекционного закрепления водонасыщенных грунтов разработана предварительная методика, которая включает этапы теоретического анализа, лабораторных и полевых экспериментов.

Эта методика может корректироваться в процессе проведения исследований и по мере получения промежуточных результатов с учетом оценки инженерно-геологических условий, анализа свойств растворов и выбора технологий.

При разработке методики было принято решение руководствоваться следующими принципами:

• исследование должно базироваться на сравнении характеристик грунтовых свойств до и после инъекционного закрепления, в первую очередь прочностных, деформационных и фильтрационных;
• основными параметрами для оценки закрепленных грунтов является угол внутреннего трения (φ), сила удельного сцепления (c), модуль деформации (E) и коэффициент фильтрации (K_f);
• при создании моделей закрепленных грунтов в лабораторных условиях в качестве варьируемых параметров приняты: тип грунта, тип раствора, его концентрация и процентное соотношение раствора в грунте (например 10, 20, 25, 50 %);
• методика проведения лабораторных и полевых испытаний грунтов должна быть разработана на основе действующих нормативных документов, таких как ГОСТ, СП и СТО, с целью обеспечения достоверности и соответствия установленным стандартам;
• результаты исследований станут обоснованием для выбора оптимального способа закрепления укрепления грунтов оснований исторических объектов Санкт-Петербурга.

1.     Подготовительный этап

На первом этапе проводится сбор и систематизация данных об инженерно-геологических и гидрогеологических условиях территории Санкт-Петербурга и прилегающих районов Ленинградской области. Основное внимание уделяется характеристикам водонасыщенных грунтов (песков, суглинков, глин), включая их гранулометрический состав, пористость, водопроницаемость и несущую способность. Для этого используются архивные данные геологических изысканий, а также результаты современных обследований оснований исторических зданий. Дополнительно анализируется состояние деревянных лежней фундаментов с учетом степени их биологического разрушения и остаточной прочности.

2.     Выбор объектов исследования

Объектами исследования выбраны наиболее характерные для Санкт-Петербурга типы грунтов. Для оценки консервации деревянных элементов используются образцы лежней, извлеченные из исторических фундаментов, с различной степенью гниения. Выбор обусловлен необходимостью охвата разнообразных условий, встречающихся в историческом центре города [13].

3.     Подготовка инъекционных растворов и оборудования

Для экспериментов отобрано три типа инъекционных растворов: микроцементные, органо-силикатные и акрилатные, производимые отечественными предприятиями. Растворы готовятся в соответствии с техническими рекомендациями производителей с учетом их вязкости, времени схватывания и совместимости с грунтами.

Для проведения инъекций разработаны лабораторные установки, включающие насосы с регулируемым давлением (от 0,1 до 5,0 МПа) и инъекционные трубки с манжетами для локального введения растворов. В полевых условиях применяются мобильные буровые установки и оборудование для струйной цементации.

4.     Лабораторные исследования

Предложенная методика лабораторных исследований направлена на сравнение свойств грунтов в естественном состоянии и после обработки инъекционными растворами.

Подготовка образцов грунта

Образцы грунта следует отбирать в соответствии с ГОСТ 12071-2014 «Грунты. Отбор, упаковка, транспортирование и хранение образцов с сохранением естественной структуры и влажности». В лаборатории из них должны быть подготовлены цилиндрические образцы диаметром 50 мм и высотой 25 мм ГОСТ 12248-2016 «Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости» для проведения испытаний по определению прочности и деформируемости.

Эксперименты по выявлению прочностных и деформационных характеристик образцов закрепленного грунта планируется проводить в прямоугольном лотке из оргстекла вместимостью 500 см³, где и будет происходить процесс нагнетания инъекционного раствора.

Определение прочностных характеристик образцов грунта

Для определения угла внутреннего трения (φ) и силы удельного сцепления (c) применяются прямые сдвиговые испытания или триаксиальные тесты. Используются стандарты, такие как ГОСТ 12248-2016, для сдвиговых испытаний и для триаксиальных тестов. Образцы тестируются в насыщенном или оптимально увлажненном состоянии для точности.

Определение деформационных характеристик образцов грунта

Модуль деформации (E) определяется с помощью одометрических испытаний (тесты на консолидацию), следуя ГОСТ 12248-2016. Также триаксиальные тесты позволяют вычислить модуль Юнга по кривым напряжение-деформация.

Определение фильтрационных характеристик образцов грунта

Коэффициент фильтрации (K_f) измеряется с помощью тестов постоянного или переменного напора. Обработанные образцы должны достичь полного затвердевания перед испытаниями для оценки изменений их проницаемости.

5.     Полевые эксперименты

Полевые испытания должны проводиться на специально выбранных участках с типичными грунтовыми условиями Санкт-Петербурга, предпочтительно – в исторических районах. Методика проведения экспериментов на реальных площадках предполагает следующие этапы: полноценное инъекционное закрепление грунтов основания, мониторинг для оценки изменения свойств грунта на протяжении одного-трех месяцев и отбор проб закрепленных зон для лабораторного анализа прочности и водопроницаемости [14].

Выводы

1. Разработана предварительная методика исследования инъекционного закрепления водонасыщенных грунтов с использованием различных типов растворов в лабораторных и полевых условиях.
2. Методика предусматривает варьирование такими параметрами, как тип раствора, его концентрация и процентное содержание в грунте, что позволяет оценить их влияние на прочностные, деформационные и фильтрационные характеристики грунтов, а также выявить качественные и количественные зависимости.
3. Результаты исследования позволят обоснованно выбрать наиболее эффективный способ укрепления водонасыщенных грунтов оснований исторических объектов Санкт-Петербурга и консервации деревянных лежней с использованием инъекционных растворов.

Об авторах

Рашид Абдуллович Мангушев

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: ramangushev@yandex.ru

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры геотехники, член-корр. РААСН

Россия, 190005, г. Санкт-Петербург, ул. 2-я Красноармейская, 4

Андрей Валентинович Мальцев

Самарский государственный технический университет

Email: geologof@yandex.ru

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры строительной механики, инженерной геологии, оснований и фундаментов

Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Ксения Андреевна Мальцева

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

Email: ksenia2300@mail.ru

аспирант строительного факультета

Россия, 190005, г. Санкт-Петербург, ул. 2-я Красноармейская, 4

Список литературы

Дополнительные файлы