Подготовительные и вспомогательные процессы
К подготовительным и вспомогательным процессам, связанным с разработкой выемок и возведением насыпей, относятся разбивка земляных сооружений, водоотлив и понижение уровня грунтовых вод, временное крепление стенок выемок, искусственное закрепление грунтов, разрыхление плотных грунтов.
1. РАЗБИВКА ЗЕМЛЯНЫХ СООРУЖЕНИЙ
Разбивка сооружений состоит в установлении и закреплении их положения на местности. Приемы разработки и способы закрепления на местности очертаний сооружений разнообразны и зависят от вида земляного сооружения, способа производства работ и др.
Разбивку котлованов начинают с выноса и закрепления на местности (в соответствии с проектом) створными знаками основных рабочих осей, в качестве которых обычно принимают главные оси здания I—I и П—П (рис. V.2). После этого вокруг будущего котлована на расстоянии 2...3 м от его бровки параллельно основным разбивочным осям устанавливают обноску, которая состоит из забитых в грунт металлических стоек или вкопанных деревянных столбов и прикрепленных к ним досок. Доска должна быть толщиной не меньше 40 мм, иметь обрезную грань, обращенную кверху, и опираться не менее чем на три вкопанных столбика, высота которых должна быть достаточной для свободного прохода людей под обноской. Для пропуска транспорта в обноске должны быть разрывы. При значительном уклоне местности обноску делают с уступами.
На обноску переносят основные разбивочные оси и, начиная от них, размечают все остальные оси здания. Все оси закрепляют на обноске гвоздями или пропилами и нумеруют. Размеры котлована поверху, понизу и другие характерные его точки отмечают колышками или вехами. Обноску используют только в начальный период строительства, так как в процессе производства работ она быстро выходит из строя. Поэтому после возведения подземной части здания основные разбивочные оси переносят на его цоколь.
Для линейно-протяженных сооружений (например, для коллектора) устраивают только поперечные обноски, которые располагают на прямых участках через 50 м, на закруглениях — через 20 м. Обноску устраивают также на всех пикетах и точках перелома профиля. Применяют также инвентарные металлические обноски, элементы которых выполнены из труб, уголков и т. п. Прямоугольность и габарит зданий определяют обязательно с помощью геодезических методов.
2. Водоотлив и понижение уровня грунтовых вод
Выемки от поверхностных вод защищают путем устройства водоперехватывающих нагорных и водоотводящих канав или системы дренажей. Продольный уклон лотков или канав назначают в зависимости от рельефа местности и принимают равным не менее 0,003. На размеры лотков или канав и на методы их укрепления влияют приток воды и скорость течения.
Водоотлив применяют при незначительном притоке воды в выемки. Осушение выемки открытым водоотливом заключается в том, что при разработке котлована в водоносном грунте подошве выемки придают небольшой уклон (рис. V.3) к устраиваемому в самой пониженной части приямку (зумпфу), из которого воду откачивают насосами поршневым, диафрагмовым или центробежным, и отводят по лоткам или водоотводным канавам от выемки. Затем разработку котлована ведут наклонными слоями с заглубленным зумпфом.
При разработке траншей зумпф устраивают в специальном отсеке траншеи, называемом усом.
Открытый водоотлив используют в глинистых и песчаных пылеватых грунтах с коэффициентом фильтрации менее 1 м/сут. Применение его ограничено из-за того, что в выемке практически всегда присутствует вода, усложняющая производство работ и нарушающая устойчивость грунтового массива.
Искусственное понижение уровня грунтовых вод является более совершенным, но и более сложным методом борьбы с их притоком в выемку. Понижение уровня грунтовых вод обеспечивают путем непрерывной откачки из специальных скважин, оканчивающихся ниже дна выемки.
В грунтах с высоким коэффициентом фильтрации (более 2 м/сут) можно понизить уровень грунтовых вод: легкими иглофильтровыми установками; эжекторными иглофильтрами; водопонижающими скважинами, оборудованными глубинными насосами; скважинами, сбрасывающими воду в нижележащие поглощающие слои или в специальные выработки, и др.
Иглофильтровые установки состоят из ряда стальных труб, погружаемых в грунт по периметру котлована или вдоль траншеи. К нижней части трубы присоединено звено для фильтра, состоящее из наружной перфорированной и внутренней глухой труб.
Наружная труба внизу имеет наконечник с шаровым и кольцевым клапанами (рис. V.4). На поверхности земли иглофильтры присоединяют водосборным коллектором к насосной установке (обеспеченной резервными насосами). При работе насосов уровень воды в иглофильтрах понижается, и из-за дренирующих свойств грунта он понижается и в окружающих грунтовых слоях, образуя новую границу уровня грунтовых вод, называемую депрессионной кривой.
Иглофильтры погружают в грунт через буровые скважины или путем нагнетания в трубу иглофильтра воды под давлением до 0,3 МПа (гидравлическое погружение). Поступая к наконечнику, вода опускает шаровой клапан, а кольцевой клапан, отжимаемый при этом кверху, закрывает зазор между внутренней и наружной трубами. Выходя из наконечника под давлением, струя воды размывает грунт и обеспечивает погружение иглофильтра. Когда вода всасывается из грунта через фильтровое звено, клапаны занимают обратное положение: шаровой клапан за счет разрежения поднимается, а кольцевой опускается, открывая воде, профильтровавшейся в зазор между обеими трубами фильтрового звена, путь в открытый снизу конец внутренней трубы.
Применение иглофильтровых установок наиболее эффективно в чистых песках и песчано-гравелистых грунтах. Наибольшее понижение уровня грунтовых вод, достигаемое в средних условиях одним ярусом иглофильтров, составляет около 5 м. При большей глубине понижения применяют двухъярусные установки.
Эжекторные иглофильтровые установки (рис. V.5) и глубинные насосы используют при разработке больших выемок и при необходимости понижения уровня грунтовых вод на глубину 20 и 30 м (при одноярусном понижении).
Фильтровое звено эжекторного иглофильтра устроено по принципу легкого иглофильтра, а надфильтровое звено состоит из наружной и внутренней трубы с эжекторной насадкой. Рабочую воду под давлением 750...800 кПа подают в кольцевое пространство между внутренней и наружной трубами, и через эжекторную насадку она устремляется вверх по внутренней трубе. В результате резкого изменения скорости движения рабочей воды в насадке создается разрежение и тем самым обеспечивается подсос грунтовой воды. Грунтовая вода смешивается с рабочей и направляется в циркуляционный бак. Из циркуляционного бака избыток воды (за счет поступления грунтовой) откачивается низконапорным насосом или сливается самотеком.
В эжекторной иглофильтровой установке вакуум создается в глубине иглофильтра, что обеспечивает более интенсивный отсос воды и имеет исключительно важное значение при осушении грунтов с незначительной фильтрационной способностью. Один ярус иглофильтров позволяет уменьшить размеры котлована или траншеи, а следовательно, и объем земляных работ.
Для расширения области применения иглофильтровых установок в грунтах с коэффициентом фильтрации менее 0,1 м/сут используется явление электроосмоса. В этом случае наряду с иглофильтрами в грунт на расстоянии 0,5...1 м от иглофильтров в сторону котлована погружают стальные трубы или стержни (рис. V.6). Иглофильтры подключают к отрицательному, а трубы или стержни — к положительному полюсу источника постоянного тока. Напряженность электрического поля 0,5...1 В/см, а плотность тока 1 А/м2.
Растворы вступают в реакцию и образуют гель кремниевой кислоты (nSiО2mН2О), который обволакивает зерна грунта и, твердея, связывает их в монолит. Этот способ применяют в достаточно хорошо дренирующих грунтах (коэффициент фильтрации 2...80 м/сут). При этом прочность грунта достигает 1,5...3 МПа.
Однорастворное закрепление (смесь силиката натрия и отвердителя) используют для слабодренирующих грунтов с коэффициентом фильтрации менее 0,3 м/сут. Прочность закрепленного грунта 0,3...0,6 МПа.
Раствор при химическом закреплении нагнетают специальными трубами-инъекторами (рис. V.9), погружаемыми раздельно или пакетами по 5 шт. Расстояния между инъекторами принимают в зависимости от вязкости раствора и типа грунта, уточняют экспериментально.
Электрическим способом закрепляют влажные глинистые грунты. Заключается он в пропуске через грунт постоянного электрического тока с напряженностью поля 0,5...1 В/см и плотностью тока 1...5 А/м2. При этом глина осушается, сильно уплотняется и теряет способность к пучению.
Электрохимический способ отличается от предыдущего тем, что одновременно с электрическим током в грунт вводят через трубу, являющуюся катодом и служащую инъектором, растворы химических добавок, увеличивающие проводимость тока (силикат натрия, хлористый кальций, хлористое железо и др.). Благодаря этому интенсивность процесса закрепления грунта возрастает.