Специальные фундаменты глубокого заложения

К специальным фундаментам глубокого заложения обычно относят:

глубокие опоры;

«стены в грунте»;

опускные колодцы

кессонные фундаменты.

Глубокие опоры отличаются от буровых или набивных свай только большими размерами (диаметр до 2,5м, глубина до 60м). Чаще всего они делаются с уширенным нижним концом, иногда с несколькими уширениями. Каждый конкретный вид глубоких опор делается с помощью той или иной специальной машины (комплекса машин).

Стена в грунте обычно понимается не только как конструкция глубокого фундамента, но и как определенная технология устройства подземных помещений. По контуру будущего сооружения откапывается глубокая узкая траншея (обычно шириной 0,6м, глубиной 20…30м, иногда до 50м), в нее устанавливается арматура, и производится заполнение бетонной смесью (иногда используются сборные железобетонные элементы). После этого грунт внутри контура образовавшейся замкнутой стены удаляется с помощью землеройных машин, и создается пространство подземных помещений. Для облегчения восприятия бокового давления грунта железобетонными стенами на одном или нескольких уровнях устраиваются анкерные крепления (путем пробуривания в стене и в грунте шпуров и устройства в них железобетонных тяг). Для предотвращения обрушения стенок глубоких траншей, в процессе откопки такие траншеи заполняются глинистым раствором (бентонитовой суспензией).

Стена в грунте может возводиться также и путем устройства сплошного ряда взаимно пересекающихся (в плане) буровых свай.

Стены в грунте могут использоваться не только как фундаменты и ограждения подземных помещений, но и как противофильтрационные завесы. В таких случаях вместо бетона могут использоваться менее прочные, но водонепроницаемые материалы (цементноглинистые растворы, асфальт и проч.).

Технология устройства «стены в грунте».

1. Сооружение «стена в грунте» начинается с устройства сборной или монолитной форшахты, которая служит направляющей для землеройных машин, опорой для подвешивания армокаркасов, бетолитных труб, сборных железобетонных панелей и т.п. и обеспечивает устойчивость стенок в верхней части.

2. Отрывка котлована отдельными захватками. Откопав первую захватку, на всю глубину стены по ее торцам устраивают ограничители, арматурный каркас и укладывают бетонную смесь.

3. Затем переходят к захватке «через одну», а после ее устройства – к промежуточной и т.д., в результате получается сплошная стена (рис. 13.14).

Такой метод называется методом последовательных захваток или секционным методом.

Опускной колодец – это большое железобетонное изделие, в плане кольцеобразное или прямоугольное (коробчатое), которое погружается в грунт под действием собственного веса при удалении грунта из его внутренней зоны. Обычно при удалении грунта производится подкапывание под нижние опорные кромки опускного колодца, а сам опускной колодец по мере погружения наращивается сверху (производится дополнительное бетонирование, если колодец монолитный, или дополнительный монтаж, если он сборный железобетонный). В случае «зависания» колодца его дальнейшее погружение обеспечивается вибрацией или дополнительной нагрузкой.

Опускной колодец представляет собой открытую сверху и снизу железобетонную (реже стальную и бетонную) конструкцию (рис. 9.1), стены которой в нижней части имеют заострения (консоли), обычно усиленные металлом (ножи). Опускные колодцы погружаются в грунт под действием собственного веса по мере разработки и удаления грунта, расположенного в полости колодца и ниже его ножа.

Рис. 9.1. Опускной колодец а — погружение колодца.; б — фундамент в виде опускного колодца; 1 — консоли; 2 — стенки колодца; 3 — надфундаментная часть опоры; 4 — железобетонная плита; 5 — бетон, уложенный насухо; 6 — подводный бетон; 7 — прочный грунт; 8 — слабый грунт

Стены колодцев либо сооружают сразу на полную высоту, либо наращивают по мере погружения колодцев в грунт (рис. 9.1,а). Погружение опускных колодцев в грунт производят с откачкой или без откачки воды из их полости. После достижения опускным колодцем проектной глубины заложения фундамента полость колодца целиком (рис. 9.1,6) или частично заполняют бетонной смесью сначала подводным способом, а затем насухо. В верхней части колодца сооружают распределительную железобетонную плиту, на которой впоследствии ведут кладку надфундаментной части опоры; в некоторых случаях такую плиту не делают.

Опускные колодцы применяют в случаях расположения грунтов с достаточной несущей способностью на больших (более 5—8 м) глубинах, когда сооружение фундаментов в открытых котлованах из-за сложности крепления их стен экономически нецелесообразно или технически неосуществимо.

Так как в подобных случаях кроме опускных колодцев можно применять фундаменты из свай или оболочек, выбор типа фундамента производят на основе технико-экономического сравнения вариантов. Достоинством фундаментов из опускных колодцев является возможность их погружения без использования сложного технологического оборудования. Недостатками их являются большой объем кладки и значительные трудности, возникающие при встрече колодцев в водонасыщенных грунтах с препятствиями в виде крупных валунов, скальных прослоек, топляков и т. п. Устранение таких препятствий возможно лишь после откачки воды из колодцев, что при водонасыщенных грунтах не всегда удается сделать. Трудности, связанные с необходимостью осушения колодца, возникают и при посадке его на скальный грунт, поверхность которого не бывает строго горизонтальной и нуждается в планировке для возможности опирания на него колодца по всему периметру.

Кессонные фундаменты используются сравнительно редко и только в водонасыщенных грунтах, когда имеются препятствия для применения опускных колодцев.

Рис 9.2. Кессон а — погружение кессона; б — кессонный фундамент; 1 — консоль; 2 — надкессонная кладка; 3 — трубы для сжатого воздуха; 4 — компрессорная станция; 5 — центральная шлюзовая камера; 6 — прикамерки; 7 — шахтные трубы; 8 — потолок кессона; 9 — нож; 10 — рабочая камера кессона; 11 — кладка надфундаментной части опоры; 12—бетон заполнения шахты; 13 — бетон заполнения рабочей камеры; 14 — прочный грунт; 15 — слабый грунт

Кессон (рис. 9.2,а) представляет собой открытую снизу железобетонную или стальную конструкцию, состоящую из потолка и боковых стен. Толщина стен кессона книзу уменьшается и они заканчиваются консолью со стальным ножом. Полость в нижней части кессона называют рабочей камерой. В ней производят разработку грунта, по мере которой кессон опускается под действием собственного веса, а также веса надкессонной кладки, возводимой из бетона над потолком в процессе погружения кессона в грунт. Подачей в рабочую камеру сжатого воздуха обеспечивают отжатие из нее воды, что позволяет вести разработку грунта насухо.

Сжатый воздух вырабатывается компрессорной станцией и подается по трубам как в рабочую камеру кессона, так и в шлюзовой аппарат. Последний состоит из центральной шлюзовой камеры и двух прикамерков — один для рабочих, второй для материалов. Шлюзовой аппарат устанавливают на две шахтные трубы, которые собирают из отдельных металлических звеньев и используют для подъема и спуска рабочих, а также вертикального транспорта материалов и грунта.

Спуск рабочих в камеру кессона производят в следующем порядке. Из пассажирского прикамерка выпускают сжатый воздух, что позволяет открыть вовнутрь наружную дверь прикамерка, в которую входят рабочие. Дверь закрывают и в прикамерок из центральной шлюзовой камеры подают сжатый воздух. Когда давление воздуха в прикамерке станет равным давлению воздуха в центральной шлюзовой камере, открывают дверь между ними и рабочие переходят в эту камеру, а потом по металлической лестнице, установленной в шахтной трубе, спускаются в камеру кессона. Подъем рабочих в центральную шлюзовую камеру и выход их наружу осуществляют в обратном порядке.

Изменение давления от нормального к повышенному (процесс шлюзования) и от повышенного к нормальному (процесс вышлюзовывания) в пассажирском прикамерке необходимо производить так, чтобы рабочие могли постепенно приспособиться к новым условиям. Время, потребное для шлюзования и вышлюзовывания, тем больше, чем выше давление воздуха в кессоне.

Для возможности отжатия воды из рабочей камеры кессона избыточное (сверх нормального) давление воздуха в ней должно несколько превышать гидростатическое давление на уровне низа ножа кессона.

Наибольшее избыточное давление, при котором разрешается работать людям в кессоне, равно 400 кПа. Это определяет максимальную глубину погружения кессона от уровня воды в 40 м.

После достижения проектной глубины заложения фундамента камеру кессона заполняют бетонной смесью (рис. 9.2,6). Затем демонтируют шлюзовой аппарат и шахтные трубы; вертикальную шахту заполняют бетонной смесью. В результате получается массивный фундамент глубокого заложения, на котором возводят кладку надфундаментной части опоры.

Преимущество кессонов по сравнению с другими типами фундаментов заключается в том, что они позволяют возводить фундамент глубокого заложения в любых гидрогеологических условиях. В рабочей камере кессона возможно освидетельствование и даже испытание грунта основания, что весьма ценно.

Кессоны имеют и существенные недостатки, к которым в первую очередь следует отнести вредное воздействие сжатого воздуха на организм рабочих, большой объем бетонной кладки в массивной конструкции фундамента, неиндустриальность конструкции и высокую стоимость кессонных работ. Если под избыточным давлением до 175 кПа разрешается находиться не свыше 7 ч в сутки, то под давлением в 350—400 кПа максимальное время пребывания составляет только 2 ч, из которых 1 ч затрачивается на процессы шлюзования и вышлюзовывания и только 1 ч используется на полезную работу. В связи с этим стоимость кессонных работ резко возрастает с увеличением глубины погружения кессона в грунт.

Появление совершенно нового - оборудования (вибропогружателей, гидромеханизации, специальных типов грейферов и т. п.) позволило широко развить новые конструкции фундаментов глубокого заложения, работы по возведению которых высоко механизированы: колодцы-оболочки из сборного железобетона и буровые опоры

Традиционные фундаменты глубокого заложения — массивные опускные колодцы и кессоны — применяются главным образом в транспортном строительстве для тяжелых компактных сооружений. Массивные опускные колодцы большого диаметра и кессоны наряду со сте­ной в грунте используются при возведении заглубленных помещений зданий и сооружений (подземные гаражи, шахты, скиповые ямы, отстойники, водозаборные соору­жения, насосные станции и т.д.). По условиям работы и возведения такие конструкции нельзя рассматривать как фундаменты.

Фундаменты глубокого заложения проектируют для передачи нагрузки на прочные грунты, залегающие на большой глубине. Эти фундаменты погружаются в грунт с поверхности земли или со дна неглубокого котлована на глубину, значительно большую, чем это необходимо из условий промерзания, конструктивных и эксплуатационных требований. Фундаменты глубокого заложения воспринимают большие нагрузки, так как при значительной глубине их погружения исключено выпирание грунта из-под подошвы, а вследствие защемления в грунте, возникающего в период погружения, часть нагрузки передается за счет трения грунта по боковой поверхности конструкции. В результате защемления фундамента происходит полная или частичная его заделка в грунте, что следует учитывать при действии горизонтальных нагрузок.