Jet grouting - струйная цементация грунтов

Струйная цементация грунтов, известная как технология jet grouting, является современным методом усиления оснований. Суть метода состоит в том, что в грунт под высоким давлением подается струя цементного раствора, которая разрушает его естественную структуру и одновременно перемешивается с ним. После затвердевания образуется прочный и однородный массив - грунтоцемент. В строительстве данная технология используется для создания грунтоцементных свай (джет-свай), что позволяет проводить закрепление грунтов для повышения их несущей способности и стабильности.
Технология включает три основных метода: jet 1, jet 2 и jet 3, которые различаются количеством и типом подаваемых в грунт компонентов. Выбор метода зависит от геологических условий и задач проекта. Развитие технологии не стоит на месте; внедрение систем цифрового мониторинга позволяет повысить точность и контролируемость процесса укрепления грунта.

Физический принцип jet grouting заключается в гидродинамическом разрушении структуры грунта. Высоконапорная струя жидкости (цементного раствора, воды или их комбинации) с давлением до 500 атмосфер передает частицам грунта высокую кинетическую энергию. Это приводит к их размыву и перемешиванию с цементным раствором. В результате на месте слабого грунта формируется прочный и стабильный грунтоцементный массив.
Применение технологии jet grouting может обеспечить увеличение несущей способности основания на 50% и позволить полностью исключить дальнейшие осадки. Процесс заключается в инъектировании цементного раствора высоконапорной струей непосредственно на заданной глубине с одновременным перемешиванием грунта и цемента, что обеспечивает формирование однородного и предсказуемого грунтоцементного массива с улучшенными инженерно-геотехническими характеристиками.

Существуют три основных jet-метода, каждый из которых имеет свои особенности и область применения. Выбор между jet 1, jet 2 и jet 3 зависит от типа грунта, требуемого диаметра сваи и проектных задач. Jet 1 является самым простым, jet 2 расширяет его возможности за счет воздуха, а jet 3 обеспечивает максимальный контроль и диаметр благодаря раздельной подаче воды и раствора.

Сравнительные характеристики методов струйной цементации Jet Grouting

Метод Jet 1 использует для разрушения и цементации грунта только одну струю цементного раствора, подаваемую под давлением 400–500 атм. Этот метод укрепления грунтов цементацией наиболее эффективен в несвязных песчаных и слабых органоминеральных грунтах, где позволяет формировать джет-сваи диаметром до 800 мм.

Двухкомпонентная технология jet 2 использует коаксиальную подачу: цементный раствор подается внутри оболочки из сжатого воздуха. Воздушный поток уменьшает трение струи о грунт, что увеличивает энергию и радиус ее воздействия. Это позволяет эффективно смешивать грунт и цемент, формируя сваи диаметром до 2 метров. Наш опыт показывает, что этот метод оптимален для создания противофильтрационных завес и усиления оснований в глинистых грунтах, где требуется больший диаметр сваи.

Технология jet 3 является самой сложной и мощной. Сначала струя воды под защитой воздушного потока размывает и разрушает грунт, а затем отдельная форсунка, расположенная ниже, подает цементный раствор для заполнения образовавшейся полости. Такой подход обеспечивает максимальный контроль над процессом, позволяет достигать диаметра свай до 3 метров и гарантирует высокую прочность. Этот метод незаменим при работе в плотных грунтах или когда требуется практически полное замещение слабого грунта на грунтоцемент.

Полный цикл работ по струйной цементации включает шесть последовательных этапов, от анализа площадки до финальных испытаний. Строгое соблюдение технологии на каждом шаге гарантирует надежность и долговечность создаваемых конструкций.

1. Геологические изыскания и проектирование
Начальный этап включает детальное изучение инженерно-геологических условий площадки. Проводятся бурение разведочных скважин и лабораторные испытания грунтов для определения их физико-механических свойств. Эти данные ложатся в основу проекта, где определяются параметры цементации: метод (Jet 1, 2 или 3), глубина, давление и состав раствора. Согласно СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений», качественные изыскания являются залогом безопасности и эффективности работ.
2. Подготовительные работы и оборудование
На этом этапе на объект доставляется и монтируется необходимое оборудование: буровая установка, насосная станция высокого давления, смесительный узел для приготовления раствора и силосы для хранения цемента. При работе в стесненных условиях, например, в подвалах зданий, используются компактные буровые установки.
3. Процесс бурения и инъектирования
Процесс начинается с бурения лидерной скважины малого диаметра до проектной отметки. Затем буровая колонна начинает медленно подниматься с одновременным вращением. В этот момент через форсунки в нижней части колонны (монитор) под высоким давлением подается рабочий агент. Струя разрушает грунт и смешивается с ним, формируя по мере подъема колонны сплошную грунтоцементную сваю.
4. Контроль качества (в процессе и после)
Контроль качества ведется непрерывно. В процессе работ оператор отслеживает давление, расход раствора, скорость подъема и вращения колонны. После затвердевания свай (через 7-28 суток) проводятся испытания: отбор кернов для определения прочности на сжатие, а также статические или динамические испытания свай для проверки их несущей способности в соответствии с ГОСТ Р 70696-2023.
5. Материалы: цементные растворы и добавки
Для струйной цементации используются растворы на основе портландцемента. В зависимости от типа грунта и требований проекта в состав могут вводиться пластификаторы для улучшения текучести, ускорители твердения или микрокремнезем для повышения прочности и долговечности. Консистенция и состав раствора подбираются индивидуально; для песчаных грунтов используют более жидкие растворы, для глинистых - более вязкие.
6. Оборудование для струйной цементации
Основное оборудование включает в себя: буровую установку на гусеничном или колесном ходу, насосную станцию, способную создавать давление до 800 бар, и автоматизированный смесительный узел, обеспечивающий непрерывное приготовление цементного раствора заданной консистенции.

Метод предназначен для стабилизации грунта и исключения его подвижности на закрепленном участке. Метод Jet grouting показывает высокие результаты. Армированный грунт получает улучшенные свойства прочности для последующего строительства из-за внедрения свайных элементов.
Универсальность технологии jet grouting позволяет применять ее для решения широкого круга геотехнических задач в промышленном и гражданском строительстве.

• Усиление фундаментов существующих зданий: при реконструкции, надстройке этажей или появлении деформаций. 
• Устройство противофильтрационных завес и ограждений котлованов: для защиты от грунтовых вод. В 1999 году в Калифорнии этим методом была создана водонепроницаемая завеса для защиты дамбы от фильтрации (Engineering Research, 1999).
• Закрепление грунтов при строительстве тоннелей и метро: для обеспечения устойчивости грунта в зоне проходки.
• Стабилизация склонов и откосов: для предотвращения оползней.
• Укрепление оснований под дорогами и аэродромами: для повышения несущей способности и предотвращения просадок.
• Ликвидация просадок и деформаций: вызванных карстовыми или суффозионными процессами.

Применение в условиях плотной городской застройки: где недопустимы вибрации и динамические воздействия.

Эффективность технологии напрямую зависит от правильного подбора параметров для конкретного типа грунта.

• Песчаные и гравелистые грунты: считаются идеальными условиями. Частицы грунта легко поддаются разрушению и перемешиванию с раствором, что обеспечивает формирование свай прогнозируемого диаметра и высокой прочности.
• Глинистые и суглинистые грунты: требуют более высокого давления или применения методов Jet 2 / Jet 3. Связная структура этих грунтов хуже поддается разрушению, поэтому для эффективного перемешивания необходима дополнительная энергия воздушной или водовоздушной струи.

Слабые и органоминеральные грунты (торф, илы): технология эффективна для создания жестких несущих элементов (свай), которые передают нагрузку от сооружения на нижележащие прочные слои грунта, минуя слабый грунт.

Как и любой метод, jet grouting имеет свои сильные стороны и ограничения, которые необходимо учитывать при проектировании.

Диаметр, глубина и прочность грунтоцементных свай

Ключевые характеристики джет-свай зависят от метода и геологии. Глубина устройства свай может достигать 50 метров. Диаметр сваи варьируется: от 0,6 м при использовании Jet 1 до 3 м при Jet 3. Прочность грунтоцемента на сжатие после 28 суток твердения составляет от 1-3 МПа в глинистых грунтах до 3-10 МПа в песчаных.

Стоимость проекта по струйной цементации складывается из нескольких факторов:

• Общий объем работ (погонные метры свай).
• Сложность геологических условий.
• Выбранная технология (Jet 1, Jet 2 или Jet 3).
• Диаметр и глубина свай.
• Удаленность объекта и условия работы на площадке.

Сравнение Jet Grouting с другими методами усиления грунтов

Какой максимальный диаметр сваи можно получить?
Современные установки позволяют получать диаметр сваи до 3 метров при использовании трехкомпонентной технологии (Jet 3). В более простых условиях с применением Jet 1 и Jet 2 диаметры составляют от 0,6 до 2 метров.

Для каких грунтов подходит струйная цементация, а для каких — нет?
Технология эффективна в большинстве типов грунтов: песчаных, глинистых, суглинистых, а также в слабых илах и торфах. Метод неэффективен в скальных и крупнообломочных грунтах с большими пустотами, где струя не может создать однородный массив.

Чем Jet Grouting принципиально лучше обычной инъекционной цементации?
Принципиальное отличие в том, что jet grouting разрушает структуру грунта и перемешивает его с раствором, создавая новый материал (грунтоцемент) с прогнозируемыми свойствами. Обычная инъекция лишь заполняет существующие поры и трещины, что менее эффективно для создания несущих элементов.

Насколько долговечны грунтоцементные элементы?
Срок службы правильно спроектированных и выполненных грунтоцементных свай превышает 50 лет. Грунтоцемент является прочным, морозостойким и водонепроницаемым материалом, устойчивым к агрессивным средам.

Нужны ли специальные разрешения для проведения работ?
Да, работы по струйной цементации грунтов выполняются на основании утвержденной проектной документации, которая должна соответствовать требованиям действующих нормативов, в частности СП 45.13330.2017.

Производство работ по струйной цементации в Российской Федерации регулируется рядом нормативных документов, которые устанавливают требования к проектированию, выполнению и контролю качества. Основными из них являются:

• СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений».
• СП 45.13330.2017 «Земляные сооружения, основания и фундаменты».
• СП 384.1325800.2018 «Укрепление грунтов струйной цементацией».
• СП 291.1325800.2017 «Конструкции грунтоцементные армированные. Правила проектирования».
• ГОСТ Р 70696-2023 «Сваи и другие методы глубокого фундамента».

Соблюдение этих стандартов обеспечивает надежность и безопасность конструкций, созданных с применением технологии jet grouting.