Специальные типы фундаментов глубокого

ЗАЛОЖЕНИЯ

 

К массивным фундаментам глубокого заложения относятся опускные колодцы и кессоны. Их применяют при залегании прочных грунтов на большой глубине от поверхности (более 6–8 м), когда устройство фундаментов в открытых котлованах требует сложного и дорогостоящего крепления стенок, а использование свай не обеспечивает необходимой поперечной жесткости фундаментной конструкции [2].

Сооружают такие фундаменты опускным методом. Они погружаются в грунт обычно под действием собственного веса с одновременной разработкой грунта в уровне их нижнего торца (ножевой части).

 

7.1. Опускные колодцы

 

Конструкция колодцев и их сооружение. Опускной колодец представляет собой открытую сверху и снизу, замкнутую в плане обычно железобетонную или бетонную конструкцию, под защитой которой разрабатывают грунт и выдают его наружу (рис. 7.1). Колодцы могут быть изготовлены также из дерева или из металла. Колодцы из каменной кладки в настоящее время не применяют.

Рис. 7.1. Сооружение опоры моста на опускном колодце: 1 — опускной колодец; 2 — железобетонная распределительная плита; 3 — опора моста; 4 — бетон заполнения; 5 — пазы; 6 — подводный бетон заполнения; 7 — прочный грунт

Бетонные и железобетонные колодцы могут быть монолитными, бетонируемыми на месте их погружения, сборными из заранее изготовленных элементов и сборно-монолитными.

В плане опускные колодцы соответствуют форме надфундаментной части сооружения, а под опорами мостов имеют обычно вытянутую форму с прямыми или округленными углами (рис. 7.2, а).

Рис. 7.2. Формы опускных колодцев: а — в плане; б — в профиле

 

Под широкие опоры мостов иногда делают несколько раздельных опускных колодцев, объединенных общей распределительной плитой. В колодцах с большими размерами в плане делают внутренние стены, которые делят полость колодца на шахты и уменьшают свободный пролет наружных стен, работающих на изгиб. Размеры шахт должны обеспечивать свободное размещение в них снаряда для разработки и извлечения грунта; их назначают не менее 2–2,5 м и не более 4–5 м.

Толщину наружных стен назначают равной 0,7–2,0 м, а внутренних 0,5–1,5 м, исходя из необходимого веса колодца для преодоления сил трения при погружении, и проверяют расчетом на прочность. Нижнюю часть наружных стен (нож-консоль) делают заостренной или с банкеткой шириной 15–20 см (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Ножевые части наружных стен опускных колодцев

Низ внутренних стен тоже скашивают и располагают на 0,5 м выше кромки ножа, а в самих стенах делают проемы для сообщения между шахтами. Выше консоли в стенах делают пазы глубиной 20–25 см для лучшей связи между кладкой заполнения шахт и стенами, а также для устройства перекрытия на случай переделки колодца в кессон. Вверху колодца устраивают железобетонную плиту для передачи давления от опоры стенам колодца.

Ширину обрезов фундаментов из массивных колодцев назначают не менее 1/50 от глубины погружения и не менее 40 см. Стены и консоли колодцев армируют вертикальной и горизонтальной арматурой по расчету на усилия, возникающие в них при погружении колодца.

Наружные грани колодцев при глубине погружения до 8–10 м могут быть вертикальными, а при большей глубине — наклонными (над нижней секцией) или ступенчатыми с общим уклоном не более 1:100 (см. рис. 7.2, б), что уменьшает силы трения грунта при погружении. Однако при опускании таких колодцев могут возникать перекосы. Для придания устойчивости колодцу при погружении нижнюю его секцию на высоту 3–4 м всегда делают вертикальной.

Для уменьшения сил трения при погружении применяют подмыв грунта у ножа колодца. Весьма эффективны для той же цели тиксотропные рубашки из раствора глины, заливаемого в зазор между стенками колодца и грунтом, который образуется над уступом нижней секции (рис. 7.4). Для восстановления сил трения на период работы фундамента-колодца в составе сооружения глинистый раствор из зазора вытесняют цементно-песчаным, что обеспечивает более надежное защемление колодца в основании.

Рис. 7.4. Схема устройства тиксотропной рубашки у опускного колодца: 1 — стенка колодца; 2 — уплотнитель; 3 — глиняный замок; 4 — тиксотропная рубашка; 5 — трубы для подачи раствора; 6 — ограждение форшахты

 

Вначале погружают нижнюю секцию колодца, которую изготовляют заранее высотой 3–6 м либо непосредственно над местом погружения (на поверхности грунта или на подмостях), либо на берегу с последующей доставкой к месту погружения на плаву. Для придания плавучести в полости секции устраивают водонепроницаемый деревянный потолок, используя для его крепления пазы в стенах. Над местом погружения секцию заполняют водой и под ее весом затапливают до дна, а потолок подрывают. По мере погружения колодца его стены наращивают.

Разработку и выемку грунта из шахт ведут обычно без водоотлива, используя соответствующее оборудование (грейферы, гидроэлеваторы, эрлифты).

После погружения колодца до проектной отметки его шахты полностью или только в нижней части заполняют бетонной смесью. Если откачать воду из шахт не удается, то вначале укладывают слой подводного бетона на всю высоту консоли и не менее меньшего размера шахты.

Глубокие колодцы с целью экономии бетона делают пустотелыми, ограничиваясь устройством на подушке подводного бетона лишь железобетонной плиты, которая создает сплошную подошву фундамента. Сверху стены колодца перекрывают железобетонной распределительной плитой, нижняя плоскость которой должна быть не выше глубины промерзания кладки. Если нужно увеличить вес фундамента, то внутренние полости колодца засыпают промазученным песком.

Глубина погружения колодцев практически не ограничена. В мостостроении известны случаи погружения колодцев на глубину до 70 м. Погружение колодцев сильно осложняется при наличии в проходимых грунтах скальных прослоек, крупных валунов, стволов затонувших деревьев и т. п., которые могут приостановить погружение. Иногда по этой причине колодец приходится переоборудовать в кессон.

Расчет элементов колодца на действие нагрузок при погружении. При погружении колодца на него действуют усилия, с учетом которых назначают толщину стенок и их армирование.

Расчет веса колодца, необходимого для его погружения. Вес колодца должен превышать силы трения по его боковым граням не менее чем на 15–20 %, т. е.

G к³ gт Tu, (7.1)
где G к— расчетный вес колодца, который при погружении без водоотлива принимают с учетом взвешивающего действия воды; gт = 1,15...1,20 — коэффициент надежности; Tu — расчетное значение силы трения, определяемое по формуле

(7.2)
где fi — предельная сила трения в i -м слое грунта, которую можно определять по графикамрис. 7.5; ui — наружный периметр колодца в слое грунта толщиной li.

Рис. 7.5.Графики зависимости удельной силы трения от глубины l погружения колодца: а — для песчаных грунтов; б — для глинистых грунтов; 1 — пески гравелистые, крупные и средние при е < 0,55; 2 — то же, при 0,55 < е < 0,7; 3 — то же, при е > 0,7; а также пески мелкие при 0,6 < е < 0,75 и пески пылеватые при 0,6 < е < 0,8; 4 — пески мелкие при е > 0,75 и пески пылеватые при е > 0,8; 5 — глины с показателем текучести IL < 0,5 и суглинки при IL < 0,25; 6 — супеси, суглинки при 0,25 < IL < 0,75 и глины при IL > 0,5; 7 — илы, суглинки при IL > 0,75

При опускании колодца с подмывом силу трения уменьшают на 25 %.

Проверка колодца на всплытие. Рассматривают положение колодца на проектной отметке, когда уложена подушка подводного бетона, шахты осушены, а на его подошву действует гидростатическое давление, направленное снизу вверх. От всплытия колодец удерживают его вес вместе с подушкой и силы трения (в половинном размере) по наружной поверхности.

Проверку на всплытие выполняют по формуле

(7.3)
где G п— вес подушки; hw — расстояние от подошвы подушки до уровня воды; A — площадь подошвы колодца по наружным размерам; gвс = 1,2 — коэффициент надежности.

В колодцах с тиксотропной рубашкой следует предусмотреть замену глинистого раствора на цементно-песчаный до осушения шахт.

Расчет нижней секции колодца на изгиб. Расчету подлежат наружные стены секции на изгиб в вертикальной плоскости от действия их собственного веса. Нагрузки от веса поперечных стен колодца учитывают приложением сосредоточенных сил.

Нижнюю секцию колодца бетонируют на подкладках, которые удаляют перед ее погружением. Последними удаляют так называемые фиксированные подкладки (по 2 подкладки под продольными стенами), расстояние между которыми назначают из условия равенства изгибающих моментов над опорами и в середине пролета (примерно 0,7 от длины стены). При отсутствии подземных вод или при погружении с водоотливом грунт под ножевой частью колодца у фиксированных зон выбирают также в последнюю очередь. В этих случаях можно ограничиться расчетом стен по схеме опирания их на фиксированные подкладки (рис. 7.6, а).

Рис. 7.6. Схемы к расчету элементов колодца на строительные нагрузки

 

При погружении колодца без водоотлива рассматривают две возможные схемы опирания секции на грунт: по концам (рис. 7.6, б) и под серединой (рис. 7.6, в).

По величине изгибающих моментов в этих схемах расчета проверяют сечения стен и назначают их армирование.

Расчет стен колодца на изгиб в горизонтальной плоскости. Расчет выполняют для проектного положения колодца на восприятие горизонтального давления грунта pa (активное давление) и воды pw (рис. 7.6, г). При погружении без водоотлива учитывают давление на стены изнутри колодца в размере 50 % от гидростатического.

Рассчитывают участок стен над консолью высотой d, равной толщине стены. Считают, что этот участок воспринимает давление, действующее и на консоль. В плане он образует замкнутую раму, нагруженную по внешнему контуру равномерно распределенной нагрузкой интенсивностью q = (hк + d)(pa + pw). Расчет такой рамы выполняют по правилам строительной механики. По найденным продольным усилиям и изгибающим моментам подбирают горизонтально расположенную арматуру.

Аналогичные расчеты выполняют для других вышележащих зон колодца, выделяя в них участки высотой 1 м, в пределах которых давление (pa + pw) принимают постоянным и равным давлению у нижней границы каждой зоны.

Расчет стен на разрыв при затирании колодца. При концентрации сил трения грунта о боковую поверхность верхней части колодца может

произойти его зависание и в горизонтальных сечениях стен появятся растягивающие усилия.

В предположении, что силы трения распределены по закону треугольника с наибольшим значением их f 0у верха колодца, будем иметь условие равновесия сил:

G к = 0,5 f 0 hu, (7.4)
где по-прежнему G к— вес колодца; h — глубина погружения; u — периметр колодца,

откуда

f 0 = 2 G к / (hu). (7.5)

Растягивающее усилие в сечении колодца на высоте z над ножом

 

(7.6)

Отсюда следует, что опасное сечение будет на глубине z = 0,5 h, а наибольшее растягивающее усилие в этом сечении N max = 0,25 G к.

При зависании колодца в процессе погружения применяют подмыв грунта у наружных стен или дополнительную пригрузку колодца.

Расчет ножевой части (консоли) на изгиб. Такой расчет выполняют для 1 м консоли в плане при двух положениях колодца. Во-первых, когда колодец опущен на проектную глубину, а грунт под ножом подобран. Колодец удерживается силами трения (рис. 7.6, д). Давление грунта и воды в пределах высоты консоли определяют, как при расчете стен колодца на изгиб в горизонтальной плоскости. Кроме того, по наружной поверхности консоли действует сила трения

(7.7)
где G кпринимают с учетом взвешивающего действия воды и с коэффициентом надежности по нагрузке 0,9; h к— высота консоли. Во-вторых, когда колодец опущен на половину проектной глубины, нарощен очередной секцией высотой 4–6 м, а нож врезался в грунт на глубину 1 м (рис. 7.6, е). Горизонтальное давление грунта и воды снаружи консоли принимают минимальным и не более 70 % от гидростатического. Силу трения по наружной грани консоли определяют по формуле (7.2) при ui = 1 м.

С внутренней стороны на скошенную грань заглубленной части консоли и ширину банкетки будет действовать реактивный отпор грунта.

Вертикальная составляющая реакции грунта на консоль

(7.8)
где G' к— вес рассматриваемой части колодца.

Величина N распределяется между банкеткой и скошенной частью консоли пропорционально площадям условно принятой эпюры реакции грунта.

Вертикальная составляющая на скошенную грань консоли

(7.9)
а горизонтальная составляющая на ту же грань

F = N 2 tg(b – j0), (7.10)
где j0— угол трения между грунтом и консолью.

В обоих расчетных случаях в сечении C–C определяют изгибающие моменты и продольные силы, по которым подбирают вертикальную арматуру консоли, продлевают ее по всей высоте консоли и заводят в стены выше расчетного сечения на величину, равную половине большего размера шахты в плане.

 

7.2. Кессоны

 

При кессонном способе сооружения фундаментов погружение в грунт опускной системы производится под действием ее собственного веса с одновременной разработкой грунта в специальной кессонной камере. В камеру подается сжатый воздух, вытесняющий воду, что позволяет вести работу в ней насухо (рис. 7.7).

Рис. 7.7. Кессонный фундамент: а — схема кессонных работ; б — готовый фундамент

Рабочую камеру 1 окружает кессон 2, состоящий из стен (консолей) и потолка, на котором по мере погружения кессона ведут надкессонную кладку 3 обычно в деревянной опалубке. Кессоны делают массивными или облегченными (ребристыми, пустотелыми). Материалом для них служит обычно железобетон. Применялись также кессоны деревобетонные, деревянные и металлические. Сечения элементов кессона (консолей и потолка) и их армирование определяют расчетом на прочность от действия строительных нагрузок при погружении. Эти расчеты рассматриваются в специальной литературе.

Кессонная камера сообщается с поверхностью с помощью металлической шахтной трубы 4, вмонтированной в потолок; к верхнему ее концу присоединен шлюзовой аппарат из листовой стали, который состоит из центрального шлюза 5 и прикамерков 6 (грузового и пассажирского). Пассажирский прикамерок предназначен для шлюзования людей, материальный — для выдачи разработанного грунта и подачи материалов в камеру.

Шахтную трубу наращивают звеньями по мере погружения кессона.

Сжатым воздухом кессон снабжается от компрессорной станции 7 с помощью воздухопроводных труб 8 и стояков 9. Воздух в шлюзовой аппарат подается по отдельным трубам 10.

Необходимое избыточное давление сжатого воздуха в кессонной камере определяют по формуле

p = (hw + 2)g w, (7.11)
где hw — высота от ножа кессона до уровня воды; g w — удельный вес воды.

Расчетный расход воздуха должен составлять не менее 25 м3/ч на одного работающего в кессоне и, кроме того, для производственного расхода: утечка через потолок и консоли кессона — 0,35–0,65 м3/ч через 1 м2поверхности; под ножом — 1–6 м3/ч на 1 м периметра и на шлюзование грунта и грузов — 25 % от полного объема утечек.

Повышенное давление воздуха вредно для здоровья людей, поэтому время пребывания в кессонной камере, а также время шлюзования и вышлюзовывания зависит от избыточного давления в камере. Организм человека может выдержать избыточное давление до 0,4 МПа, поэтому погружение кессона ограничено глубиной 35–38 м от уровня воды.

Грунт в кессонной камере разрабатывают вручную с применением средств малой механизации и выдают в подъемных бадьях через шахтную трубу в шлюз, откуда его удаляют вагонетками. Скальные грунты разрабатывают буровзрывным способом с помощью мелкошпуровых зарядов. Встречающиеся препятствия из валунов и т. п. также подрывают. В грунтах, поддающихся размыву, применяют гидромеханизацию: гидромониторы (для размыва грунта) и гидроэлеваторы (для транспортировки пульпы из кессона). Гидромеханизация значительно уменьшает количество рабочих в кессоне и увеличивает производительность труда. Скорость опускания кессона может достигать 4 м/сут

(1 м/сут — при ручном способе разработки грунта). Есть опыт “слепого погружения” кессонов, при котором рабочие в кессонной камере отсутствуют.

Кессоны, как и опускные колодцы, погружают либо с поверхности грунта или островка, либо со стационарных или плавучих подмостей. Применялись также наплавные кессоны, изготовляемые в доках или на берегу, которые по стапелям спускают в воду и доставляют к месту погружения буксиром. В этом случае применяют облегченные ребристые или пустотелые кессоны (рис. 7.8), которые после установки наполняют бетоном. По периметру их наращивают водонепроницаемой деревянной перемычкой высотой, достаточной для посадки кессона на дно реки.

Рис. 7.8.Типы наплавных кессонов: а — ребристый железобетонный; б — пустотелый; 1 — жесткий каркас; 2 — водонепроницаемая обшивка

После погружения кессона до проектной отметки и освидетельствования основания камеру кессона заполняют бетонной кладкой 11 (см. рис. 7.7, б). Заполнение ведут от консолей к шахтному отверстию с тщательной подбивкой под потолок кессона. После заполнения камеры в нее из шахтного патрубка нагнетают цементно-песчаный раствор под давлением сжатого воздуха, чем достигается плотное сопряжение кладки с потолком кессона.

Шахтный колодец после демонтажа шлюзового аппарата и шахтных труб также заполняют бетонной кладкой 12.

Кессоны можно применять в любых геологических условиях, преодолевая все возможные препятствия погружению. В них можно вести освидетельствование грунтов основания, а при необходимости и закреплять их. Однако кес

сонный метод фундирования имеет существенные недостатки: вредность повышенного давления воздуха для здоровья работающих в кессоне, сложность и трудоемкость работ, их высокая стоимость. По этим причинам в последние годы в отечественном мостостроении кессонные фундаменты используют редко: их вытеснили более прогрессивные конструкции свайных фундаментов из оболочек и столбов. К кессонам прибегают в сложных геологических условиях, исключающих возможность применения других фундаментных конструкций.

 

7.3. Расчет массивных фундаментов глубокого заложения на эксплуатационные нагрузки

 

Целью такого расчета является определение размеров подошвы фундамента и глубины ее заложения, исключающих наступление предельных состояний сооружения в процессе его эксплуатации.

Расчет массивных фундаментов глубокого заложения выполняют, как и свайных, с учетом их защемления в грунте, т. е. с учетом того, что нагрузки передаются фундаментом основанию не только подошвой, но и его боковыми гранями.

При действии на фундамент центрально приложенной вертикальной нагрузки Fv среднее давление p 0по его подошве площадью A, которое не должно превышать прочности грунта, определяют по формуле

(7.12)
где G ф— вес фундамента; Tu — сила трения грунта по боковым граням фундамента, которую учитывают при опирании фундамента на сжимаемые грунты и определяют по формуле

(7.13)
где fi — удельное сопротивление трению грунта по боковой поверхности в середине i -го слоя, которое принимают как для забивных свай; ui — периметр фундамента по наружному контуру его поперечного сечения в слое грунта толщиной li.

Расчетное сопротивление грунта R под подошвой фундамента в условии (7.12) определяют по выражению (3.6) и (3.38), а коэффициент надежности g n = 1,4.

При действии на фундамент поперечных сил и моментов учитывают сопротивление окружающего грунта горизонтальным перемещениям фундамента. При этом исходят из тех же предпосылок, которые были приняты в расчетах свай на поперечные нагрузки. Грунты основания считают упругим материалом (модель Фусса - Винклера), свойства которого характеризуются линейно нарастающим по глубине z коэффициентом постели C =Kz. Коэффициент пропорциональности K принимают потаблицам [17]. Его осредненное значение по глубине заложения d вычисляют по формуле (7.16).

Коэффициент постели нескального грунта под подошвой фундамента при d > 10 м назначают равным C п = Kd, а при d < 10 м C п = 10 K, где K — коэффициент пропорциональности грунта, расположенного под подошвой. Коэффициент постели скального грунта под подошвой принимают в зависимости от его сопротивления осевому сжатию: при Rc = 1 МПа С п =3•105 кН/м3, при Rc = 25 МПа С п = 1,5•107 кН/м3. Для промежуточных значений Rc значения C попределяют интерполяцией.

Массивные фундаменты глубокого заложения обычно являются жесткими, для которых приведенная глубина заложения и их собственными деформациями можно пренебречь.

Коэффициент деформации фундамента aeопределяют по формуле (4.20), в которой расчетную ширину фундамента b p, м, принимают равной

b p = k ф(b + 1), (7.14)
где b — поперечный к направлению действия внешних нагрузок размер фундамента; k ф— коэффициент формы, который принимают в зависимости от очертания поверхности расчетной грани порис. 7.9.

Рис. 7.9. Формы граней фундаментов глубокого заложния

Пусть на жесткий фундамент глубокого заложения в уровне поверхности грунта (после размыва) действуют, помимо вертикальной силы Fv, еще горизонтальная сила Fh и момент M. Под действием этих нагрузок и собственного веса фундамент испытывает осадку и поворот вокруг оси, расположенной на некоторой глубине z0(рис. 7.10). Окружающий грунт оказывает сопротивление этим перемещениям, в результате чего по передней и задней граням и подошве фундамента образуется нормальное к этим поверхностям реактивное давление грунта s z. Касательные составляющие реакций грунта по боковым граням и подошве при горизонтальном смещении и повороте фундамента в расчетах не учитывают.

Рис. 7.10. Силовое взаимодействие в основании жестких фундаментов глубокого заложения

Положение оси поворота фундамента зависит от размеров фундамента, величины внешних нагрузок и упругой податливости грунта в основании. Если эта ось расположена выше подошвы, горизонтальное реактивное давление грунта возникает по передней и задней граням фундамента (рис. 7.10, а); если же она находится на уровне плоскости подошвы или глубже, горизонтальное реактивное давление образуется только по передней грани (рис. 7.10, б, в).

С учетом изложенных особенностей взаимодействия фундамента с грунтовой средой из условия равенства действующих горизонтальных нагрузок на фундамент и моментов сил относительно оси поворота [16]

 

(7.15)
а угол поворота фундамента, рад,

(7.16)
где I п— момент инерции площади подошвы относительно оси, перпендикулярной плоскости действия нагрузки.

Формулы (7.15) (7.16) получены для фундаментов, опирающихся на сжимаемые грунты. При опирании фундамента на скальный грунт z 0 = d, а

(7.17)

Горизонтальное давление по вертикальным граням фундамента

s z = Kz (z 0 – z)w, (7.18)
где z — координата точки, для которой определяют s z.

Давление s z по выражению (7.18) определяют для значений z = d/ 3 и z= d, которые должны удовлетворять условию устойчивости грунта (4.55).

Максимальное краевое вертикальное давление под подошвой фундамента ограничивают по условию

(7.19)
где a — размер подошвы в плоскости действия внешних нагрузок; g c = 1,2 — коэффициент условий работы; g n и R — то же, что в условии (7.12).

При опирании фундамента на скальные грунты силу трения Tu не учитывают.

Горизонтальное смещение верха опоры при жестком фундаменте определяют по формуле

u в = u 0 + (z 0 + h' 0)w £ u₀ пр, (7.20)
где u 0— горизонтальное смещение опоры за счет ее изгиба, которое при жесткой конструкции опоры принимают равным нулю; h' 0— расстояние от поверхности грунта до верха опоры; u пр— предельное значение горизонтального смещения, определяемое по выражению (3.30).

Если приведенная глубина заложения массивного фундамента более 2,5, то фундамент следует рассчитывать с учетом его конечной жесткости методом, изложенным в разд. 4.6.

Среднюю осадку массивных фундаментов определяют по аналогии с расчетами свайных фундаментов, как условно массивных. Для этого рассматривают увеличенную площадь подошвы фундамента с размерами ac и bc, образованную основанием параллелепипеда с наклонными гранями под углом jIIcp/4 к вертикали (рис. 7.11, а). У фундаментов, имеющих уступы по высоте или наклонные грани, условное развитие подошвы рассматривают только в пределах нижней их части с вертикальными гранями (рис. 7.11, б).

Рис. 7.11. Схемы условно массивных фундаментов

 

Среднее давление по подошве такого условно массивного фундамента при расчете его осадки определяют по формуле

(7.21)

 

где G' ф— вес фундамента вместе с грунтом над условной площадью его подошвы, которая равна: .

Расчет осадки выполняют методом послойного суммирования.

Проверку устойчивости фундаментов глубокого заложения против общего сдвига выполняют лишь при наличии особых геологических условий, высоких подходных насыпей или сейсмических воздействий. Если в основании фундамента залегает слабый подстилающий слой, то необходимо выполнить проверку прочности этого слоя для условной площади подошвы фундамента с размерами aс и bc.

 

Стена в грунте

Способ «стена в грунте» применяется для устройства фундаментов различного назначения, для строительства стен подземных сооружений и противофильтрационных завес (рис.7.12). Такой метод устройства стены в грунте может применяться как в обводненных, так и в необводненных грунтах: песках, супесях, суглинках и глинах [14].

Рис.7.12 Применение способа «стена в грунте» для различных сооружений а, г – удержание откоса; б – насыпь с противофильтрационной завесой; в - подземное сооружение

 

Технология устройства способа «стена в грунте», заключается в том, что сначала с помощью специальной установки по всему периметру (контуру) сооружения отрывается узкая и глубокая траншея под защитой глинистого раствора, которая затем заполняется бетонной смесью или сборными железобетонными элементами. Грунт по всему внутреннему контуру «стены в грунте» удаляют, образуя таким образом котлован для будущего строительства сооружения.

Использование способа «стена в грунте» целесообразно при строительстве в стесненных условиях и в близи существующих зданий и сооружений, что позволяет:

- избежать повреждения зданий, сооружений и подземных коммуникаций, расположенных в зоне строительства;

- значительно снизить уровень шума;

- исключить вибрации грунта;

- сократить площади разрытий;

- сократить сроки работ и снизить стоимость строительства.

Выполнение стен в виде замкнутого контура с заделкой их в нижней части в водоупорный слой грунта предотвращает поступление грунтовых вод внутрь сооружения, что позволяет отказаться от водопонизительных работ.

Применение способа «стена в грунте» должно быть обосновано технико-экономическими расчетами путем сравнения с другими вариантами строительства: строительством в открытых котлованах, использованием шпунтовых ограждений, с применением опускных колодцев и с другими вариантами строительства. При строительстве противофильтрационных завес способом «стена в грунте» необходимо так же сравнивать по ТЭО с завесами других конструкций и другими средствами защиты от подземных вод.

Процесс строительства «стены в грунте» начинается с устройства крепления стенок верха траншеи для удержания грунта от обвалов и направления рабочего органа землеройного оборудования (рис. 7.13).

Рис.7.13 Направляющие для предохранения краев траншеи от обрушения

После устройства крепления верха траншей приступают к отрывке траншеи на глубину равную глубине заложения подземной стены. Для удержания стенок траншеи от обрушения разработку грунта в траншеи ведут с использованием глинистого раствора. Для приготовления глинистого раствора применяются бентонитовые глины. Для улучшения параметров глинистых растворов в необходимых случаях применяют химические реагенты и добавки в виде неорганических химических минеральных веществ – кальцинированная сода, фосфаты, каустическая сода, жидкое стекло, поваренная соль.

Отрывку траншеи ведут захватками длиной 2…6 м на всю проектную глубину. По мере разработки грунта в траншеи пополняют объем глинистого раствора. Уровень раствора должен быть всегда выше уровня подземных вод. Для перекачки глинистого раствора и подачи его в траншею используются грязевые и центробежные растворы. Трубопроводы для перекачки глинистого раствора выполняют из труб диаметром 100…150 мм секциями длиной от 2 до 5 м.

Для разделения захваток и предотвращения проникновения глинистого раствора из одной захватки в другую устанавливают в торцах разделительные элементы (ограничители): трубы, сваи и т.п. Ограничители служат опалубкой и придают торцу захватки требуемую форму.

Из землеройного оборудования наибольшее распространение получили специальные штанговые грейферы, которые позволяют разрабатывать более тяжелые грунты.

Сооружение стены из монолитного железобетона. Сущность технологии строительства монолитных стен в грунте заключается в разработке траншеи, разделение ее на отдельные участки (захватки), монтаж арматурных каркасов на этих захватках и бетонирование стены отдельными секциями-захватками последовательно (рис. 7.14).

Рис.7.14 Технологическая схема устройства стен в грунте

из монолитного железобетона

 

Основным материалом конструкций подземных инженерных сооружений, возводимых способом «стена в грунте», является бетон. Состав бетонной смеси подбирается таким образом, чтобы он соответствовал условиям производства работ при бетонировании. Размеры фракций крупного заполнителя бетона не должен превышать 50 мм. Для повышения пластичности бетона и его удобоукладываемости применяют пластифицирующие добавки.

Арматурный каркас применяют на 10…15 см меньше ширины траншеи. При значительной глубине траншеи арматурные каркасы собираются по высоте из отдельных блоков, соединенных друг с другом сваркой по мере монтажа их в траншее.

Ограничители в торцах захваток погружаются ниже дна траншеи на 30…50 см. При наличии плотных грунтов в дне траншеи для заглубления ограничителя пробуриваются скважины глубиной 50 см на дне траншеи. Ограничители в виде металлических труб через 3…5 ч. после бетонирования извлекаются. Железобетонные ограничители не извлекаются. Такие ограничители используют при отрывке и бетонировании захваток через одну.

После отрывки траншеи установка ограничителей, арматурных каркасов и бетонирование захватки выполняются в течение суток. Перерывы в бетонировании допускаются не более 1…1,5 ч. Вытесняемый из траншеи глинистый раствор в процессе бетонирования отводится из траншеи в рядом разрабатываемую захватку или в запасную емкость.

Сооружение стены из сборного железобетонных панелей. Монтаж сборных железобетонных панелей производится при откопанной траншеи длиной не более 6…7 м. Разрыв в расстоянии между разрабатывающей траншею машиной и монтируемой панелью принимается не более 2…3 м. После установки панелей в траншею образуется пазуха между панелью и стенками траншеи. Эти пазухи заполняются с внутренней стороны гравийно-песчаным материалом, а с наружной – низкомарочным цементно-глинистым раствором. В случае, если просачивается вода в стыках между панелями, щель между ними зачеканивается жестким раствором, жгутами, пропитанными битумом.

После окончания гидроизоляции стыков и заделки пазух все сборные стеновые панели соединяются поверху путем устройства железобетонной обвязочной балки.

После возведения «стены в грунте» по всему периметру сооружения удаляют грунт из внутреннего пространства (рис.7.16) и возводят внутренние конструкции.

Устойчивость стены при удалении грунта обеспечивается ее заделкой в основание. Если заделки в основании недостаточно, то необходимо в проекте предусмотреть распорные или анкерные крепления.

Противофильтрационные завесы. Противофильтрационные завесы (ПФЗ) устраиваются теми же способами, что и бетонные и железобетонные несущие конструкции, выполняемые способом «стена в грунте». Для заполнения полости траншеи используются материалы: бетон, глиноцементный раствор, глиногрунтовые смеси и другие материалы. Особенностью работ по строительству ПФЗ является линейная протяженность фронта работ, что накладывает свою особенность на технологию.

При строительстве ПФЗ не предусматривается крепление верха траншей, а в место этого по обе стороны от траншеи устраиваются уклоны, препятствующие стоку в траншею поверхностных вод.

Рис.7.15 Технологическая схема устройства стен в грунте из сборного железобетона

 

Для устройства прямолинейных траншей большой протяженностью глубиной до 10…15 м. используются серийные гидравлические экскаваторы «обратная лопата».

При строительстве тонких ПФЗ толщиной 10…15 см. применяют высоконапорные воздушные или водяные струи. Разрушение грунта водяной струей осуществляется при давлении в 10…70 МПа. Противофильтрационный заполнитель одновременно подается под давлением 3…6 МПа.

Тонких ПФЗ в водонасыщенных песчаных и супесчаных грунтах осуществляют с помощью погружения в грунт инвентарных металлических элементов толщиной 10 см., имеющее коробчатое сечение. По длине элемент снабжен шпунтовыми замками. Погружение осуществляется вибратором. Рациональная глубина сооружаемой таким способом завесы составляет до 10 м. Технология производства работ осуществляется в следующей последовательности: в грунт последовательно погружают все инвентарные элементы. Затем извлекают с помощью этого же вибропогружателя эти элементы с заполнением образующейся в грунте полости глиноцементным раствором при давлении не менее 0.2 МПа.

Во избежан