Structural Mechanics of Engineering Constructions and BuildingsStructural Mechanics of Engineering Constructions and BuildingsСтроительная механика инженерных конструкций и сооружений1815-52352587-8700Peoples’ Friendship University of Russia named after Patrice Lumumba (RUDN University)4368710.22363/1815-5235-2024-20-6-593-612DKACDVAnalysis and design of building structuresРасчет и проектирование строительных конструкцийResearch ArticleInjection Technologies for Elimination of Karst-Suffosion Hazard and Soil Subsidence in the Foundation of Buildings and StructuresИнъекционные технологии для устранения карстово-суффозионной опасности и просадочности грунтов в основании зданий и сооруженийhttps://orcid.org/0009-0004-0521-9404KharchenkoIgor Ya.ХарченкоИгорь Яковлевич

Doctor of Technical Sciences, Professor, Advisor of RAASN, Professor of Department of Bridges and Tunnels

советник РААСН, доктор технических наук, профессор кафедры мостов и тоннелей

iharcenko@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3850-4285KharchenkoAlexey I.ХарченкоАлексей Игоревич

Candidate of Technical Sciences, Director

кандидат технических наук, директор

greenstone236@gmail.comhttps://orcid.org/0009-0004-9538-60881223-1280PanchenkoAlexander I.ПанченкоАлександр Иванович

Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Building Materials Science

доктор технических наук, профессор кафедры строительного материаловедения

alex250354@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-8407-81444425-5045ErofeevVladimir T.ЕрофеевВладимир Трофимович

Doctor of Technical Sciences, Professor, Academician of RAASN

академик РААСН, доктор технических наук, профессор кафедры строительного материаловедения

erofeevvt@bk.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6193-09281454-1154MirsayapovIlizar T.МирсаяповИлизар Талгатович

Corresponding Member of RAASN, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of Foundations of Structural Dynamics and Engineering Geology

член-корреспондент РААСН, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой оснований фундаментов динамики сооружений и инженерной геологии

mirsayapov1@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0874-316X3825-6514KhozinVadim G.ХозинВадим Григорьевич

Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of Technology of Building Materials, Products and Structures

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии строительных материалов, изделий и конструкций

khozin.vadim@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1773-60955316-5749TarakanovOleg V.ТаракановОлег Вячеславович

Doctor of Technical Sciences, Professor, Dean of the Faculty of Territory Management

доктор технических наук, профессор, декан факультета управления территориями

tarov60@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0003-6956-60108036-3974ZavalishinEvgeny V.ЗавалишинЕвгений Васильевич

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Department of Engineering and Computer Graphics

кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой инженерной и компьютерной графики

evaz@mail.ruRussian University of TransportРоссийский университет транспортаJSC “Rossevzapzastroy”ОАО «Россевзапстрой»Moscow State University of Civil Engineering (National Research University)Национальный исследовательский Московский государственный строительный университетKazan State University of Architecture and Civil EngineeringКазанский государственный архитектурно-строительный университетPenza State University of Architecture and ConstructionПензенский государственный университет архитектуры и строительстваN.P. Ogarev Mordovia State UniversityМордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва3112202420659361206042025Copyright ©; 2024, Kharchenko I.Y., Kharchenko A.I., Panchenko A.I., Erofeev V.T., Mirsayapov I.T., Khozin V.G., Tarakanov O.V., Zavalishin E.V.Copyright ©; 2024, Харченко И.Я., Харченко А.И., Панченко А.И., Ерофеев В.Т., Мирсаяпов И.Т., Хозин В.Г., Тараканов О.В., Завалишин Е.В.2024Kharchenko I.Y., Kharchenko A.I., Panchenko A.I., Erofeev V.T., Mirsayapov I.T., Khozin V.G., Tarakanov O.V., Zavalishin E.V.Харченко И.Я., Харченко А.И., Панченко А.И., Ерофеев В.Т., Мирсаяпов И.Т., Хозин В.Г., Тараканов О.В., Завалишин Е.В.https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0https://journals.rudn.ru/structural-mechanics/article/view/43687

It is shown that the installation of cutoff walls (CW) using various drilling and injection technologies should be considered as the most effective method to protect against the development of karst-suffosion hazard during construction and operation of transportation and other structures. Depending on geotechnical and hydrogeological conditions at the future construction site, it is possible to use various mixtures based on polymers, liquid glass, etc., for CW construction and elimination of karst unconsolidation. It is shown that polymeric impregnation compositions are effective for the accelerated option of increasing the bearing capacity of soils, and the use of compositions based on liquid glass allows to increase biologic resistance. The use of jet grouting technology, collar technology or their combination is also effective. It is reasonable to use mineral-based special injection mixtures for compaction and hardening of karst rocks. These mineral-based special injection mixtures are more technologically advanced, and the soil cement of CW and compacted karst rocks is more durable compared to soil compacted with polymer-based or liquid glass injection mixtures. An effective injection mixture for CW installation for protection against karst-suffosion hazard is the “PFS+” injection mixture, which should be considered as an alternative to injection mixtures based on bentonite, polymers or liquid glass. Taking into account the high probability of sulfate corrosion development during injection of fractured gypsum rocks, the efficiency of application of mineral fine-dispersed binder - “Introcem” slag based microcement in collar technology - is shown. In order to eliminate karst unconsolidation, the most preferable approach is the use of the “ZIS” special injection mixture, which is made on the basis of mineral composite binder. The experience of using the “Super-Jet” technology under different geotechnical conditions and design solutions has shown that the strength of the soil cement body formed by this technology can reach 15 MPa, and the cutoff walls are fully waterproof. It is shown that higher strength of soil bases is achieved when they are injected with powder-activated compositions.

Показано, что устройство противофильтрационных завес (ПФЗ) с использованием различных буроинъекционных технологий следует рассматривать как наиболее эффективный метод по защите от развития карстовосуффозионной опасности при строительстве и эксплуатации транспортных и других сооружений. Для устройства ПФЗ и ликвидации карстовых разуплотнений, в зависимости от инженерно-геологических и гидрогеологических условий на участке будущего строительства, возможно применение различных смесей на основе полимеров, жидкого стекла и т.д. Показано, что полимерные пропиточные композиции эффективны для ускоренного варианта повышения несущей способности грунтов, а использование композиций на основе жидкого стекла позволяет повысить биостойкость. Эффективно также применение технологии струйной цементации, манжетной технологии или их комбинации. Специальные инъекционные смеси на минеральной основе целесообразно применять для уплотнения и упрочнения карстовых горных пород. Эти минеральные специальные инъекционные смеси более технологичны, а грунтобетон ПФЗ и уплотненных карстовых пород более долговечен по сравнению с грунтом, уплотненным инъекционными смесями на полимерной основе или на основе жидкого стекла. Эффективной инъекционной смесью для устройства ПФЗ при защите от карстово-суффозионной опасности является инъекционная смесь «ПФС+», которую следует рассматривать в качестве альтернативы инъекционным смесям на основе бентонита, полимеров или жидких стекол. Учитывая высокую вероятность развития сульфатной коррозии при инъектировании трещиноватых гипсовых пород, показана эффективность применения минерального тонкодисперсного вяжущего - микроцемента «Интроцем» на шлаковой основе в манжетной технологии. С целью ликвидации карстовых разуплонений наиболее предпочтительным является применение специальной закладочной инъекционной смеси «ЗИС», которая изготавливается на основе минерального композиционного вяжущего. Опыт использования технологии «Super-Jet» при различных геотехнических условиях и проектных решениях показал, что прочность грунтобетонного массива, сформированного по данной технологии, может достигать 15 МПа, а при устройстве противофильтрационных завес обеспечивается их полная водонепроницаемость. Показано, что более высокая прочность грунтовых оснований достигается при их инъектировании порошково-активированными композициями.

mineral injection binderskarst unconsolidationcutoff wallsинъекционные минеральные вяжущиекарстовые разуплотненияпротивофильтрационные завесыTer-Martirosyan A.Z., Sobolev E.S. Operating safety of foundations of buildings and structures under dynamic impact. Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering. 2017;12(5):537–544. (In Russ.) http://doi.org/10.22227/19970935.2017.5.537–544Тер-Мартиросян А.З., Соболев Е.С. Безопасность эксплуатации оснований зданий и сооружений при динамическом воздействии // Вестник МГСУ. 2017. Т. 12. Вып. 5 (104). С. 537-544. http://doi.org/10.22227/1997-0935.2017.5.537-544Latypov A., Zharkova N., Ter-Martirosyan A. Calculation of the stress-strain state of soil massifs with karst-suffusion cavities. OP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2018;365:042058. http://doi.org/10.1088/1757-899X/365/4/042058Latypov A., Zharkova N., Ter-Martirosyan A. Calculation of the stress-strain state of soil massifs with karst-suffusion cavities // OP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 365. Article no. 042058. http://doi.org/10.1088/1757-899X/365/4/042058Glushkov A., Glushkov V., Glushkov I. Features of the construction of buildings in karst areas. E3S Web of Conferences. 2021;263:02043. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202126302043.Glushkov A., Glushkov V., Glushkov I. Features of the construction of buildings in karst areas // E3S Web of Conferences. 2021. Vol. 263. Article no. 02043. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202126302043.Kuzichkin O.R., Vasilyev G.S., Grecheneva A.V., Mikhaleva E.V., Baknin M.D., Surzhik D.I. Application of phasemetric compensation method for geoelectric control of near-surface geodynamic processes. Bulletin of Electrical Engineering and Informatics. 2020;9(3):898–905. http://doi.org/10.11591/eei.v9i3.1727Kuzichkin O.R., Vasilyev G.S., Grecheneva A.V., Mikhaleva E.V., Baknin M.D., Surzhik D.I. Application of phasemetric compensation method for geoelectric control of near-surface geodynamic processes // Bulletin of Electrical Engineering and Informatics. 2020. Vol. 9. No. 3. P. 898-905. http://doi.org/10.11591/eei.v9i3.1727Anikeev A.V. Sinkholes and sinkholes in karst areas: formation mechanisms, prognosis and risk assessment. Moscow: RUDN University, 2017. (In Russ.) ISBN 978-5-209-07483-0Аникеев А.В. Провалы и воронки оседания в карстовых районах: механизмы образования, прогноз и оценка риска. Москва : РУДН, 2017. 328 с. ISBN 978-5-209-07483-0Anikeev A.V. Sinkholes and subsidence of the Earth’s surface in karst areas: modeling and forecast: diss.. Candidate of Geological and Mineralogical Sciences. Moscow, 2014. (In Russ.)Аникеев А.В. Провалы и оседания земной поверхности в карстовых районах: моделирование и прогноз: дис. … канд. геолого-минералогических наук. Москва, 2014. 142 с.Kutepov V.M., Kozlyakova I.V., Anisimova N.G., Eremina O.N., Kozhevnikova I.A. Assessment of karst and karstsuffosion hazard in the project of large-scale geological mapping of moscow territory. Geoecology. Engineering Geology, hydrogeology, geocryology. 2011;(3):217–228. (In Russ.) EDN: NUIKPNКутепов В.М., Козлякова И.В., Анисимова Н.Г., Еремина О.Н., Кожевникова И.А. Оценка карстовой и карстовосуффозионной опасности в проекте крупномасштабного геологического картирования г. Москвы // Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология. 2011. № 3. С. 217-228. EDN: NUIKPNMerkin V.E., Makovskiy L.V., Garber V.A. Design and construction of tunnels in karst soils. Moscow: TIMR Publ.; 1994. (In Russ.)Меркин В.Е., Маковский Л.В., Гарбер В.А. Проектирование и строительство тоннелей в закарстованных грунтах. Москва : ТИМР, 1994. Вып. 3. 61 с.Ragozin A.L., Elkin V.A. Regional assessment of karst hazard and risk. Problems of safety and emergency situations. 2003;(4):33–52. (In Russ.)Рагозин А.Л., Елкин В.А. Региональная оценка карстовой опасности и риска // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций. 2003. № 4. С. 33-52.Rodionov N.V. Karst of the European part of the USSR, the Urals and the Caucasus. Moscow: Gosgeoltekhizdat Publ.; 1963. (In Russ.)Родионов Н.В. Карст Европейской части СССР, Урала и Кавказа. Москва : Госгеолтехиздат, 1963. 174 с.Savarensky I.A., Mironov N.A. Guidelines for engineering and geological surveys in karst development areas. Moscow: PNIIIS Gosstroy of Russia Publ.; 1995. (In Russ.)Саваренский И.А., Миронов Н.А. Руководство по инженерно-геологическим изысканиям в районах развития карста. Москва : Изд-во ПНИИИС Госстроя России, 1995. 167 c.Tolmachev V.V. Probabilistic approach in assessing the sustainability of karst areas and designing anti-karst measures. Engineering geology. 1980;(3):98–107. (In Russ.) EDN: YKWQWZТолмачев В.В. Вероятностный подход при оценке устойчивости закарстованных территорий и проектировании противокарстовых мероприятий // Инженерная геология. 1980. № 3. С. 98-107. EDN: YKWQWZTolmachev V.V. On the permissible risks of construction in karst areas. Foundations, foundations and soil mechanics. 2007;(5):19–21. (In Russ.) EDN: SLBANVТолмачев В.В. О допустимых рисках строительства в карстовых районах // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2007. № 5. С. 19-21. EDN: SLBANVTolmachev V.V. Methods for assessing karst hazards for construction purposes: state and prospects. Geoecology. Engineering geology, hydrogeology, geocryology. 2012;(4):354–363. (In Russ.) EDN: PFFQUDТолмачев В.В. Методы оценки карстовой опасности для строительных целей: состояние и перспективы // Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология. 2012. № 4. С. 354-363. EDN: PFFQUDTolmachev V.V., Reuter F. Engineering karst science. Moscow: Nedra Publ.; 1990. (In Russ.) ISBN: 5-247-01508-8Толмачев В.В., Ройтер Ф. Инженерное карстоведение. Москва : Недра, 1990. 152 с. ISBN: 5-247-01508-8Khomenko V.P. Patterns and forecast of suffusion processes. Moscow: GEOS Publ.; 2003. (In Russ.) ISBN: 5-89118-320-XХоменко В.П. Закономерности и прогноз суффозионных процессов. Москва : ГЕОС, 2003. 216 с. ISBN: 5-89118-320-XClayton C. Managing Geotechnical Risk: Improving productivity in UK building and construction. London, 2001. https://doi.org/10.1680/mgr.29675Clayton C. Managing Geotechnical Risk: Improving productivity in UK building and construction. London, 2001. 80 p. https://doi.org/10.1680/mgr.29675Robin F., Ho K., Lacasse S., Leroi E. A framework for landslide risk assessment and management. 2005. https://doi.org/ 10.1201/9781439833711-4Robin F., Ho K., Lacasse S., Leroi E. A framework for landslide risk assessment and management. 2005. 786 p. https://doi.org/10.1201/9781439833711-4Milanović P.T. Geological Engineering in Karst: dams, reservoirs, grouting, groundwater protection, water tapping, tunneling. Belgrade: Zebra Publ.; 2000.Milanović P.T. Geological Engineering in Karst: dams, reservoirs, grouting, groundwater protection, water tapping, tunneling. Belgrade: Zebra, 2000. 347 p.Kochev A.D., Chertkov L.G., Zaionts I.L. Methodology and results of a comprehensive study of karst-suffusion processes in Moscow. Engineering geology.1989;(6):77–94. (In Russ.)Кочев А.Д., Чертков Л.Г., Зайонц И.Л. Методика и результаты комплексного изучения карстово-суффозионных процессов в г. Москве // Инженерная геология. 1989. № 6. С. 77-94.Tolmachev V., Leonenko M. Experience in collapse risk assessment of building on covered karst landscapes in Russia. In: van P. Beynen (ed.). Karst Management. Springer, Dordrecht; 2011. p. 75–102. https://doi.org/10.1007/978-94-007-1207-2_4Tolmachev V., Leonenko M. Experience in collapse risk assessment of building on covered karst landscapes in Russia // Karst Management / ed. by van P. Beynen. Springer, Dordrecht, 2011. P. 75-102. https://doi.org/10.1007/978-94-0071207-2_4Panchenko A.I., Kharchenko I.Ya., Alekseev S.V. Micro-cement. Moscow: ASV Publ.; 2014. (In Russ.) ISBN: 978- 5-4323-0032-4Панченко А.И., Харченко И.Я., Алексеев С.В. Микроцементы. Москва : Издательство АСВ, 2014. 76 с. ISBN: 978-5-4323-0032-4Erofeev V.T., Rimshin V.I., Smirnov V.F. et al. Reinforced frame composites for buildings and structures. Saransk: Mordovian University Publ.; 2015. (In Russ.) ISBN 978-5-7103-3211-5Ерофеев В.Т., Римшин В.И., Смирнов В.Ф. и др. Армированные каркасные композиты для зданий и сооружений. Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2015. 360 с. ISBN 978-5-7103-3211-5Erofeev V., Rodin A., Rodina N., Kalashnikov V., Erofeeva I. Biocidal Binders for the Concretes of Unerground Constructions. Procedia Engineering. 2016;165:1448–1454. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.11.878Erofeev V., Rodin A., Rodina N., Kalashnikov V., Erofeeva I. Biocidal Binders for the Concretes of Unerground Constructions // Procedia Engineering. 2016. Vol. 165. P. 1448-1454. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.11.878Erofeev V.T., Zavalishin E.V., Rimshin V.I., Kurbatov V.L., Stepanovich M.B. Frame composites based on soluble glass. Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences. 2016;7(3):2506–2517. EDN: WVBBTPErofeev V.T., Zavalishin E.V., Rimshin V.I., Kurbatov V.L., Stepanovich M.B. Frame composites based on soluble glass // Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences. 2016. Vol. 7. No. 3. P. 2506-2517. EDN: WVBBTPMaksimova I., Makridin N., Erofeev V., Barabanov D. Study of the Properties of Water-Hardened Cement Stone Depending on the Water-Cement Ratio and Age. Proceedings of IEEE 2020. EECE 2020. Lecture Notes in Civil Engineering. Springer, Cham, 2021;150:192–203. https://doi.org/10.1007/978-3-030-72404-7_20Maksimova I., Makridin N., Erofeev V., Barabanov D. Study of the Properties of Water-Hardened Cement Stone Depending on the Water-Cement Ratio and Age // Proceedings of IEEE 2020. EECE 2020. Lecture Notes in Civil Engineering. Springer, Cham, 2021. Vol. 150. P. 192-203. https://doi.org/10.1007/978-3-030-72404-7_20Panchenko A.I., Kharchenko I.Ya., Mirzojan M. Soil strengthening using fine composite binder based on carbide slurry. ICMTMTE 2020, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2020;971:032032. http://doi.org/10.1088/1757899X/971/3/032032Panchenko A.I., Kharchenko I.Ya., Mirzojan M. Soil strengthening using fine composite binder based on carbide slurry // ICMTMTE 2020, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 971. Article no. 032032. http://doi.org/ 10.1088/1757-899X/971/3/032032Aimenov Z.T., Aimenov A.J., Yerofeev V.T., Sabitov L.S., Sanyagina Y.A. The effect of modifying additives on the performance properties of slag-alkali binders and concretes. International journal for computational civil and structural engineering. 2024;20(1):162–170. https://doi.org/10.22337/2587-9618-2024-20-1-162-170Aimenov Z.T., Aimenov A.J., Yerofeev V.T., Sabitov L.S., Sanyagina Y.A. The effect of modifying additives on the performance properties of slag-alkali binders and concretes // International journal for computational civil and structural engineering. 2024. Vol. 20. No. 1. P. 162-170. https://doi.org/10.22337/2587-9618-2024-20-1-162-170Kharchenko I.Ya., Alekseev V.A., Israfilov K.A., Beterbiev A.S.E. Modern technologies of cement grouting. Proceed- ings of Moscow State University of Civil Engineering. 2017;5(104):552–558. (In Russ.) https://doi.org/10.22227/1997-0935. 2017.5.552-558Харченко И.Я., Алексеев В.А., Исрафилов К.А., Бетербиев А.С.Э. Современные технологии цементационного закрепления грунтов // Вестник МГСУ. 2017. Т. 12. Вып. 5 (104). С. 552-558. https://doi.org/10.22227/1997-0935.2017.5.552-558Erofeev V., Bobryshev A., Lakhno A., Shafigullin L.N., Khalilov I., Sibgatullin K., Igtisamov R. Theoretical evaluation of rheological state of sand cement composite systems with polyoxyethylene additive using topological dynamics concept. Materials Science Forum. 2016;871:96–103. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.871.96Erofeev V., Bobryshev A., Lakhno A., Shafigullin L.N., Khalilov I., Sibgatullin K., Igtisamov R. Theoretical evaluation of rheological state of sand cement composite systems with polyoxyethylene additive using topological dynamics concept // Materials Science Forum. 2016. Vol. 871. P. 96-103. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.871.96Erofeev V.T., Vatin N.I., Maximova I.N., Tarakanov O.V., Sanyagina Y.A., Erofeeva I.V., Suzdaltsev O.V. Powderactivated concrete with a granular surface texture. International journal for computational civil and structural engineering. 2022;18(4):49–61. https://doi.org/10.22337/2587-9618-2022-18-4-49-61Erofeev V.T., Vatin N.I., Maximova I.N., Tarakanov O.V., Sanyagina Y.A., Erofeeva I.V., Suzdaltsev O.V. Powderactivated concrete with a granular surface texture // International journal for computational civil and structural engineering. 2022. Vol. 18. No. 4. P. 49-61. https://doi.org/10.22337/2587-9618-2022-18-4-49-61Travush V.I., Karpenko N.I., Erofeev V.T., Vatin N.I., Erofeeva I.V., Maksimova I.N., Kondrashchenko V.I., Kesarijskij A.G. Destruction of powder-activated concrete with fixation of destruction by a laser interferometer. Magazine of Civil Engineering. 2020;95(3):42–48. https://doi.org/10.18720/MCE.95.4Travush V.I., Karpenko N.I., Erofeev V.T., Vatin N.I., Erofeeva I.V., Maksimova I.N., Kondrashchenko V.I., Kesarijskij A.G. Destruction of powder-activated concrete with fixation of destruction by a laser interferometer // Magazine of Civil Engineering. 2020. Vol. 95. Issue 3. P. 42-48. https://doi.org/10.18720/MCE.95.4