Опыт оценки качества тампонажа закарстованного участка в г. Уфа

П.Е. Челпанов

ООО «Архстройизыскания», Уфа, Россия, email: oooasiz@mail.ru

АННОТАЦИЯ: В работе рассматривается комплекс методов примененных для оценки качества геотехнических (тампонажных) работ на закарстованных территориях.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: карст, водопроницаемость, геотехнические изыскания, качество тампонажа.

Проблема строительного освоения закарстованных территорий на территории г. Уфы является одной из самых актуальных в настоящее время. В условиях плотной городской застройки ощущается острый дефицит площадок с благоприятными инженерно-геологическими условиями. Данный факт все чаще заставляет застройщика возводить здания и сооружения в сложных условиях (карст, оползни и т.д.), где они в процессе строительства и эксплуатации подвергаются негативному воздействию. В то же время успехи в объективной оценке сложных участков и противокарстовой защиты позволяют осваивать закарстованные территории, сводя к минимуму вероятность аварий и катастроф.

Опыт освоения закарстованных площадок г. Уфы в последние годы, указывает на возможность, проектирования и строительства капитальных сооружений на территориях с пониженными категориями устойчивости относительно карстовых провалов.

Геотехнические мероприятия противокарстовой защиты, направлены на изменение прочностных, деформационных, фильтрационных свойств карстующихся пород и вышезалегающих грунтов. Одним из наиболее применяемых в г. Уфе методов противокарстовой защиты является нагнетание под давлением через инъекционные скважины в полости и толщи, наиболее подверженных карстовым процессам, твердеющего раствора. В этом качестве используется цементный раствор, представляющий собой водную суспензию цемента. Применение цементного раствора обусловлено проницаемостью горной породы, требованием повышения прочности и уменьшением водопроницаемости грунтов.

В 2013 году на одной из площадок проведены инженерно-геологические изыскания для проектирования и строительства жилого дома. В результате выполненных работ выделены зоны А и В по степени карстовой опасности и рекомендовано проведение инженерной подготовки (рисунок 1).

На основании вышеуказанного отчета специализированной проектной организацией выполнен проект закрепления грунтов (с использованием инъекторов) (А.И Рыжков, 2013), в котором определены критерии для перевода участков по степени карстовой опасности из зоны «А» в зону «В»:

«…В зонах цементации должны быть обеспечены следующие признаки и показатели:

— дезинтергированные зоны, карстовые полости заполнены и зацементированы, возможны лишь локальные трещины и каверны;

— скорость упругих сейсмических колебаний, плотность закрепленных грунтов, определенные методом сейсмотомографии – соответствуют незакарстованным грунтам;

— коэффициент фильтрации менее 5м/сут;

— отсутствие зон разуплотнения».

Цель инженерно-геотехнических изысканий после проведения инженерной подготовки состояла в оценке качества тампонажа закарстованных участков, по данным буровых, геофизических, опытных работ. Анализ проводился по аналогии с исследованиями, на стадии изысканий для разработки проекта.

Инженерно-геологические особенности участка (Л.А. Махнева, 2014). В геоморфологическом отношении участок приурочен к верхней части правого коренного склона р.Уфы, ослож

ненного оврагами эрозионного и карстово-эрозионного происхождения, карстовыми формами. Общий уклон рельефа на восток, в сторону долины р. Уфы.

Сводный геологический разрез участка до глубины 64м представлен отложениями четвертичного и пермского возрастов.

Четвертичные отложения представлены насыпными грунтами, вскрыты в северной части участка работ.

Отложения пермского возраста представлены шешминским (P1ss), соликамским (P1sk) и иренским (P1i) горизонтами, распространенными на площадке повсеместно.

Шешминские отложения преимущественно карбонатного состава, разной степени трещиноватости и выветрелости.

Соликамские породы представлены зеленовато-серыми, песчанистыми, плотными, сильно загипсованными глинами, мергелем и гипсом. В соликамских отложениях в ранее пробуренной скважине №1 (П.Е. Челпанов, 2013), вскрыта карстовая полость на абсолютной отметке 123.3м, открытая часть высотой 1.4м и заполненной — 2.6м.

Иренский горизонт (P1i), сложен в основном гипсами, трещиноватыми, трещины закольматированы глинистым материалом.

Контроль качества закрепления грунтов. По проекту инженерной защиты целью цементации пород являлось: выравнивание плотности массива грунтов за счет укрепления более слабых слоев и прослоек; создание завесы для фильтрации воды в нижерасположенные карстующиеся породы и закрепление карстовой полости, вскрытой скважиной № 1 (П.Е. Челпанов, 2013). В соответствии с проектом закрепление грунтов выполнялось на двух участках:

Участок № 1 (карстовая полость) в районе скважины № 1 (П.Е. Челпанов, 2013). На этом участке пробурены инъекционные скважины глубиной 47.2м с цементацией последних 4.8м (инъектор 1).

Участок № 2 сплошное укрепление массива под свайным полем фундамента здания. На участке № 2 бурились скважины 2 видов:

1) инъекционные скважины глубиной 15.1м с цементацией последних 5.0м (инъектор 2);

2) инъекционные скважины глубиной 20.1м с цементацией последних 5.0м (инъектор 3);

Параметры для создания сплошного укрепленного массива исходили из расчетного радиуса укрепления: от единичной инъекции для зоны «А»-1.2м и для зоны «Б»-1.6м. Таким образом, иньектирование сосредоточено в средней части геологического разреза, где располагается острие свай, и в нижней части разреза, где вскрыта карстовая полость.

Инъекционный горизонт 1 (ИГ 1) объем цементно-песчаного раствора на инъекционную скважину, был принят равным 51,29м3, что со-ставило по площадке 51,29х9=461,6м3.

Всего закачено цементно-песчаного раствора – 154,81м3, что составляет 33,5% от проектного объема.

По геофизическому методу ВСП скорость поперечных волн Vs для ИГ 1 по данным отчета (П.Е. Челпанов, 2013) — 0,503км/с, по контрольным скважинам 0,709км/с. Скорость продольных волн Vs по данным отчета (Л.А. Махнева, 2014) – 1,808км/с, по контрольным скважинам 3,055км/с. Увеличение скорости поперечных волн после цементации составило около 41% от первоначальных значений, а скорости продольных волн 69%.

Расчетная объемная плотность по данным отчета (Л.А. Махнева, 2014) – 2,08г/см3, по контрольным скважинам 2,28г/см3, увеличение плотности после цементации составило 10% от первоначальных значений.

Инъекционный горизонт 2 (ИГ 2) объем цементного раствора на инъекционную скважину, согласно проекту был принят равным для зоны А — 5,37м3 для зоны Б — 9,55м3, что составило для зоны А — 5,37х134=719,58м3, для зоны Б – 9,55х58=553,9м3, общий объем 1273,48м3.

В процессе производства напорной цементации закачено цементного раствора в зоне А – 510,6м3, в зоне Б – 344,3м3, общий объем 854,9м3, что составляет 67,1% от проектного объема.

Инъекционный горизонт 3 (ИГ 3) объем цементного раствора на инъекционную скважину, согласно проекту был принят равным для зоны А — 5,37м3 для зоны Б — 9,55м3, что составило для зоны А — 5,37х134=719,58м3, для зоны Б – 9,55х58=553,9м3, общий объем 1273,48м3.

В процессе работ цементного раствора в инъекционном горизонте 3 закачено, в зоне А – 374,8м3, в зоне Б – 260,2м3, общий объем 635,0м3, что составляет 49,9% от проектного объема.

Данные по объемам закачанного раствора свидетельствует о неравномерной пустотности массива, как в плане, так и в разрезе.

По геофизическому методу ВСП скорость поперечных волн для мергеля Vs в массивах ИГ 2 и ИГ 3 (П.Е. Челпанов, 2013) — 0,226км/с, по контрольным скважинам составила 0,385км/с. Скорость продольных волн Vp по данным отчета (Л.А. Махнева, 2014) – 1,169км/с, по контрольным скважинам 1,647км/с. Увеличение скорости поперечных волн после цементации составило около 70% от первоначальных значений, а скорости продольных волн на 41%.

Расчетная объемная плотность по данным отчета (П.Е. Челпанов, 2013) – 1,96г/см3, по контрольным скважинам 2,08г/см3, увеличение плотности после цементации составило 6% от первоначальных значений.

По геофизическому методу ВСП скорость поперечных волн для глины соликамской Vs в массивах ИГ 2 и ИГ 3 по данным отчета (П.Е. Челпанов, 2013) — 0,291км/с, по контрольным скважинам 0,355км/с. Скорость продольных волн Vp по данным отчета (П.Е. Челпанов, 2013) – 1,267км/с, по контрольным скважинам 1,597км/с.

Увеличение скорости поперечных волн после цементации составило около 22% от первоначальных значений, а скорости продольных волн на 26%.

Расчетная объемная плотность по данным отчета (П.Е. Челпанов, 2013) – 1,98г/см3, по контрольным скважинам 2,08г/см3, увеличение плотности после цементации составило 5% от первоначальных значений.

Среднее значение коэффициентов фильтрации по геолого-литологическим разностям общее для ИГ 2 и ИГ 3 до цементации 2,6м/сут (П.Е. Челпанов, 2013), т.е. массив грунтов ИГ 2 и ИГ 3 характеризуются как водопроницаемый.

Для закрепленного массива интервал 11.2-16.2м средние значения коэффициента фильтрации 0,014м/сут, удельного водопоглощения 0,011л/мин/м2, в связи с этим ИГ 2 (11.2-16.2м), характеризуется как слабоводопроницаемый.

Для закрепленного массива интервал 16.2-21.2м средние значения коэффициента фильтрации 1,19м/сут, удельного водопоглощения 0,865л/мин/м2, т.е ИГ 3 (16.2-21.2м), характеризуется как водопроницаемый.

В плане структурного строения и физического состояния закрепляемый массив (структурный блок) характеризуется следующими упругими и прочностными свойствами. По характеру распределения значений скорости продольных волн массив условно разделяется на две основные толщи. Верхняя толща в интервале абсолютных отметок 167 – 148-141м, соответствующая породам шешминского горизонта и нижняя, соответствующая породам соликамского горизонта.

Верхняя толща пород характеризуется следующими параметрами. Скорость продольных волн под основанием фундамента в этом интервале глубин изменяется от 1000м/с. Соответственно плотность пород изменяется в диапазоне 1.85 – 2.25г/см3, а предел прочности пород при одноосном сжатии будет соответствовать значениям 1.01 – 4.41МПа. Интервал цементации пород 156 – 146м абсолютных глубин, входящий в верхнюю толщу, характеризуется значениями скорости продольной волны 1400 – 2800м/с, соответственно плотность пород изменяется в диапазоне 2.00 – 2.25г/см3, предел прочности одноосному сжатию 1.4 – 4.41МПа. В северной и северо-восточной части массива в зоне околоскважинных пространств скважин 2к, 1к и 1 (П.Е. Челпанов, 2013) в интервале цементации физические свойства грунтов имеют относительно меньшие величины. Скорость продольной волны имеет значения 1400 – 2000м/с, соответственно плотность 2.0 – 2.17г/см3, предел прочности 1.4 – 2.29МПа.

В соответствии с ГОСТ 25100-2011 породы верхней толщи (шешминского горизонта) будут соответствовать полускальному типу породы низкой и пониженной прочности.

В межскважинном пространстве скважин № 1к – 2к, в интервале глубин абсолютных отметок по значениям скорости продольной волны 4000 – 4800 м/с хорошо выделяется куполообразный блок (ИГЭ 1) сульфатных пород, характеризующийся повышенными плотностными и прочностными свойствами. Величина плотности соответствует значениям 2.4 – 2.49 г/cм3, а предел прочности 11.75 – 22.59 МПа. На сейсмотомо-графическом разрезе между скважинами 1к – 2к хорошо видна зона карстовой полости, вскрытой скважиной 1 (П.Е. Челпанов, 2013), нарушающая структуру восточного крыла рассматриваемого блока. По значениям скорости продольной волны, зона карстовой полости залечена в результате укрепления грунтов путем инъекции. Об этом свидетельствует сравнительный анализ скоростей продольной волны на данном участке, полученных в скважине 1 (П.Е. Челпанов, 2013) до укрепления грунтов и после по сейсмотомографическому разрезу. Скорость продольной волны в самой полости до укрепления составляла 1270 м/c, плотность 1.95 г/см3, после проведения укрепительных работ составляет 4000 – 4600 м/с, а плотность пород составила 2.4 – 2.47 г/см3. Т.е. наблюдается увеличение значений скорости в 3, 3.5 раза, плотность пород в целом соответствует сохранным скальным породам, предел прочности которых имеет величины 11.75 – 19.19 МПа.

Сравнительный анализ свидетельствует о следующих изменениях в изучаемом массиве. В целом отмечается увеличение значений, как скорости продольных волн, так величин плотности и предела прочности по всему разрезу, по всему объему исследований.

В интервале цементации массива 156 – 146м абсолютных отметок скорость продольных волн увеличилась со значений 800 – 1100м/с до 1400 – 2800м/с, соответственно наблюдается увеличение величин плотности (2.0 – 2.25 г/см3) и прочности пород (1.4 – 4.41 МПа). Т.е. упругие свойства пород в данном интервале массива увеличились в среднем на 50%, плотностные свойства на 11%, а величина предела прочности пород на одноосное сжатие до 60%.

Увеличение физических свойств массива наблюдается и в интервале залегания гипсов и мергелей соликамского горизонта в межскважинном пространстве скважин 1к – 2к. Скорость продольных волн в среднем увеличилась на 35%, плотность на 10%, предел прочности на 70%. Как по упругим свойствам, так и по пределу прочности массив приобрел характер монолитного скального массива малой и средней прочности.

В результате проведения контрольных работ было установлено, что в зонах цементации достигнуты показатели, установленные проектом. Достигнуто снижение водопроницаемости грунтов на порядок, что потенциально уменьшает возможность развития карстово-суффозионных процессов в массивах укрепленных грунтов непосредственно под фундаментом. Увеличение геофизических параметров: скорости продольных и поперечных волн, расчетной объемной плотности свидетельствуют об уплотнении грунтов массива после цементации.

В результате проведенных работ достигнуты критерии и показатели грунтов установленных проектом. Центральная часть участка переведена из зоны «А» в зону «В».

При оценке тампонажа закарстованного массива грунтов выделяются следующие особенности:

— опыт применения геофизических методов показал, что наиболее показательными являются методы межскважинной сейсмической томографии, вертикального сейсмического профилирования.

— для корректного сравнения динамики изменения физических свойств массива необходимо проведение однотипных изысканий на стадиях предшествующих тампонажу и после его проведения. Массив грунтов (структурный блок) после цементации обладает более высокими характеристиками деформируемости по сравнению с соседними участками. Следует учитывать степень неоднородности грунтовых условий основания фундаментов на участке при проектировании.

— закрепленные массивы грунтов лишь локально уменьшают инфильтрацию вод. С прилегающей территории подземные воды будут поступать в массив, обтекая по общему уклону пород в ближайшие дрены. Поэтому кроме мелиоративных и конструктивных особенностей обустройства фундаментов необходима защита дневной поверхности от поверхностных вод путем организации поверхностного стока т.е. предотвращение обводнения грунтового массива за счет инфильтрации.

Литература

Рыжков А. И. Проект закрепления грунтов (с использованием инъекторов «Георекон». Уфа, 2013.

Махнева Л.А. Отчет об инженерно-геотехнических изысканиях. «АСИЗ». Уфа, 2014.

ТСН 302-50-95 РБ. Инструкция по изысканиям, проектированию и строительству, и эксплуатации зданий и сооружений на закарстованных территориях. Уфа: Госстрой РБ, 1996.

Челпанов П. Е. Отчет об инженерно-геологических изысканиях. «УфаСтройизыскания», 2013.

The experience in assessing the quality of grouting karst area in Ufa

P.E. Chelpanov

OOO «Arkhstroyiziskaniya», Ufa, Russia, email: oooasiz@mail.ru

ABSTRACT: The paper deals with a range of methods applied to assess the quality of geotechnical work on karst areas.

KEYWORDS: karst, water permeability, geotechnical surveys, the quality of grouting