Кессоны. Расчет кессонов на строительные и эксплуатационные нагрузки

Кессоны применяются тогда, когда опускание опоры глубокого заложения должно производиться ниже уровня воды и требуется ручная разработка грунта. Кессон - это опрокинутый вверх дном ящик, образующий камеру, в которую нагнетается под давлением воздух таким образом, чтобы выдавить всю воду и осушить разрабатываемый грунт. Этот способ более сложен и дорог, чем применение опускного колодца, но он позволяет «добраться» до разрабатываемого грунта вручную. После окончания опускания кессона его камера заполняется бетоном.

Установка для опускания кессонной опоры состоит из:

1) кессонной камеры;

2) шахты;

3) шлюзового аппарата;

4) компрессорных установок для нагнетания воздуха.

Кессонная камера железобетонная, имеет высоту не менее 2,2 м. В нижней части по периметру имеется ножевое устройство, как и у опускного колодца. Шлюзовой аппарат служит для возможности входа человека в ствол-шахту, где давление воздуха выше атмосферного и, затем, по окончании работ, выхода его оттуда, а также извлечения грунта. В шахте устраивается лифт-подъемник. Надкессонное строение возводят либо сразу на всю высоту, либо ярусами с наращиванием по мере необходимости.

Лекция № 12.

Опускные колодцы. Сборные и монолитные опускные колодцы. Особенности конструктивного решения и основные положения расчета опускных колодцев на строительные и эксплуатационные нагрузки.

Опускные колодцы. Сборные и монолитные опускные колодцы

В настоящее время в мостостроении наиболее широкое применение получили фундаменты из опускных колодцев.

Применяемые для устройства фундаментов мостов опускные колодцы представляют собой открытую сверху и снизу железобетонную (реже бетонную и редко стальную) конструкцию (рис. 12.1), стены которой в нижней части имеют заострения (консоли), обычно усиленные металлом (ножи). Фундаменты конструируют из одного или нескольких колодцев.

В отечественной и зарубежной практике мостостроения отработано большое количество разнообразных конструктивных решений опускных колодцев. Однако, несмотря на разнообразие, типы применяемых колодцев можно классифицировать по материалу, из которого они изготовлены, конструкции и способу погружения в грунт.

По материалу колодцы подразделяются на бетонные, железобетонные, металлические (стальные) и комбинированные; по конструкции - на толстостенные и тонкостенные, заполняемые полностью или частично бетоном и реже песком.

Рис. 12.1. Очертание колодцев: 1 - надфундаментная часть; 2 - плита; 3 - опускной колодец; 4 - заполнение шахт колодца; 5 - тампонажная подушка; 6 - шахта

Толстостенные конструкции подразделяют на массивные, имеющие стены сплошного сечения, или пустотелые с полыми стенами, заполняемые бетонной смесью по мере опускания колодцев в грунт. Массивные толстостенные колодцы сооружают из бетона или железобетона, а толстостенные конструкции с полыми стенами - из железобетона или стали. Для изготовления тонкостенных опускных колодцев используют железобетон или сталь.

Бетонные и железобетонные колодцы в зависимости от способа изготовления подразделяют на монолитные, бетонируемые на месте их опускания в грунт, сборные, монтируемые на месте погружения из заранее изготовленных элементов, и сборно-монолитные, состоящие из сборных элементов, заполняемых бетонной смесью на месте опускания.

По способу погружения в грунт колодцы подразделяют на опускаемые под воздействием собственного веса и опускаемые методом вибрации.

При опускании с поверхности грунта или островков применяют толстостенные и тонкостенные колодцы из бетона или железобетона, но не из металла, использование которого для таких случаев, как правило, экономически нецелесообразно.

Для опускания с поверхности воды (в пределах акватории) применяют пустотелые и тонкостенные (металлические или железобетонные) колодцы, которые заглубляют до дна водотока на плаву или используют подмости различных конструкций (стационарные и плавучие).

Характерной особенностью наплавных колодцев является способность их удержаться на воде в плавучем состоянии за счет наличия пустотелых стен, закрытых сверху или снизу землечерпательных шахт, а также за счет изготовления понтонов закрытой конструкции.

До проектного уровня колодцы погружают в подавляющем большинстве случаев под воздействием собственного веса. Если веса колодца оказывается недостаточно, его дополнительно пригружают или применяют подмыв грунта по периметру колодца или же, что наиболее эффективно, устраивают рубашку из глинистого (тиксотропного) раствора в зазоре между боковой гранью колодца и грунтом. Метод вибрационного погружения используют для заглубления тонкостенных, преимущественно стальных колодцев.

Колодцы сооружают либо сразу на полную высоту, либо наращивают по мере их погружения в грунт. После достижения опускным колодцем проектной глубины заложения, его полость целиком 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.

Очертание и габаритные размеры опускного колодца в плане определяются формой и размерами поперечного сечения надфундаментной части сооружения на уровне обреза фундамента, а также несущей способностью грунта, на который планируется опереть колодец.

Особенности конструктивного решения и основные положения расчета опускных колодцев на строительные и эксплуатационные нагрузки

Расчет опускного колодца производят на нагрузки, возникающие как в процессе эксплуатации колодца, так и во время его погружения.

При погружении колодцы испытывают воздействие следующих нагрузок: собственный вес колодца, давление грунта на стенки колодца, реактивное давление грунта, действующее на нож и силы трения по боковой поверхности (рис. 12.2). Усилия, которые возникают в конструкции колодца, зависят от характера и соотношения этих нагрузок.

В случае однородного грунта на строительной площадке боковая наружняя поверхность цилиндрического колодца будет испытывать равномерное сжатие, интенсивность которого определяют по формуле

 = 2R²P/(R²-r²),

где R - наружный радиус колодца, м; r - внутренний радиус колодца, м; P- давление грунта на глубине, где определяются напряжения.

Для несвязного грунта:

P = ytg²(45^o - /2).

Для связного грунта:

P = ytg²(45^o - /2) - 2ctg(45^o - /2),

где  - удельный вес грунта, кН/м³ (тс/м³);  - угол внутреннего трения грунта; c - удельное сцепление грунта, кН/м² (тс/м²); y - координата, возрастающая с глубиной.

Если опускной колодец проходит несколько грунтов, то суммарное давление P должно складываться с учетом всех пройденных слоев грунта с их соответствующими толщинами y_i.

Напряжение сжатия не должно превышать расчетного усилия, которое способно воспринять железобетонное сечение колодца.

Рис. 12.2. Схема нагрузок, действующих на опускной колодец во время его погружения

Толщину стенок колодца можно определить по формуле

________

 = R - r = r(/( - 2P) - 1).

В случае неоднородного напластования грунтов, перекоса колодца в результате погружения нагрузка на колодец становится неравномерной (рис. 12.3).

В этом случае расчетные усилия, возникающие в поперечном сечении колодца, определяют по формулам:

M_A = - 0,1488P_Ar²(k - 1),

M_B = 0,1366P_Ar²(k - 1),

N_A = P_Ar[1 + 0,7854(k-1)],

N_B = P_Ar[1+0,5(k-1)],

где k = P_B/P_A.

Формулами следует пользоваться, если 1/12  (R - r)/r  1/5.

Значения P_A и P_B определяют как давление грунта на подпорную стенку.

Опускные колодцы, прямоугольные в плане, рассчитывают в горизонтальной плоскости как статически неопределимые железобетонные рамы на нагрузки, аналогичные действующим на цилиндрические колодцы. Нож колодца рассчитывают как консольную конструкцию, находящуюся под действием направленной под углом реакции грунта [6, 8].

Рис. 12.3. Эпюра неравномерного давления грунта на боковую наружную поверхность колодца

Условие погружения опускного колодца в грунт под действием собственного веса определяется неравенством

G  (1,15 - 1,25)T,

где G - вес колодца, вычисленный с коэффициентом надежности по нагрузке 1,1; T - сила трения грунта по боковой поверхности колодца.

При определении силы T колодец по высоте делят на участки, высотой не более 2 м; границами участков являются также границы слоев различных грунтов и места, в которых изменяется сечение колодца

_n

T =  U_if_ih_i,

ⁱ⁼¹

где U_i, h_i - периметр и высота i-ой части колодца; f_i - удельная сила трения на глубине h_i.

В ряде случаев при опускании колодцев в грунтовых условиях, когда в верхней зоне основания находятся плотные грунты может возникнуть ситуация, когда силы трения в верхней части окажутся больше, чем в нижней. Это приведет к зависанию колодца вследствие его заклинивания. Заклинивание может произойти также при неравномерном опускании колодца из-за его перекоса. В этом случае в теле колодца возникнут растягивающие напряжения, поэтому необходима проверка стенок колодца на растяжение в сечении, находящемся на расстоянии 0,5-0,65 высоты от его нижней части.

 = G_n/A  R_btA_b + R_sA_s,

где G_n = (0,5-0,65)G - вес нижней части опускного колодца; А - площадь поперечного сечения колодца; R_bt , R_s - соответственно расчетные сопротивления бетона и арматуры растяжению; A_b, A_s - площадь бетона и арматуры.

При погружении опускного колодца в водонасыщенные грунты, после устройства нижней подушки и осушения шахт, на его подошву будет действовать гидростатическое давление воды, направленное вверх. От всплытия колодец удерживают его собственный вес и силы трения по наружной поверхности. При проверке на всплытие силы трения учитываются в половинном размере. Всплытие колодца невозможно, если выполняется условие

(G + 0,5T)/H_ВA_В  1,25,

где G - вес колодца с нижней подушкой с коэффициентом надежности по нагрузке 0,9 (без учета взвешивающего действия воды); T - силы трения по наружной поверхности колодца; H_В - расстояние от уровня грунтовых или поверхностных вод до низа ножа опускного колодца; _В = 10 кН/м³.

Фундаменты из опускных колодцев являются фундаментами глубокого заложения. Деформации таких фундаментов весьма малы, поэтому их при расчете не учитывают, как и деформации жестких фундаментов мелкого заложения. При расчете массивных фундаментов глубокого заложения в отличие от расчета фундаментов мелкого заложения учитывают не только сопротивление грунта под подошвой фундамента, но и сопротивление вышерасположенного грунта его вертикальному смещению и повороту.

Инженерная методика расчета фундаментов глубокого заложения базируется на предпосылке о том, что грунт представляет собой линейно-деформированную среду, характеризуемую коэффициентом постели, под которым понимают давление, которое необходимо приложить к площадке поверхности грунта вокруг фундамента или под ним, чтобы перемещение этой площадки равнялось 1 м. Размерность коэффициента постели кН/м³.

При расчете фундамента коэффициент постели принимают нарастающим, пропорционально глубине и вычисляют по формуле:

C_у = Ку/_c,

где К - коэффициент пропорциональности, кН/м⁴ [10, 12, 16]; _c = 3 - коэффициент условий работы; у - глубина расположения точки от поверхности грунта, для которой определяется коэффициент постели, но не менее 10 м.

В общем случае на фундамент глубокого заложения будут действовать вертикальные, горизонтальные силы и момент.

При действии горизонтальной силы и момента фундамент глубокого заложения будет поворачиваться относительно некоторой точки D (рис. 12.4). Повороту фундамента будет препятствовать сопротивление грунта не только по его подошве, но и по боковым поверхностям. Вертикальные силы, действующие на фундамент, приводятся к центрально действующей нагрузке в плоскости подошвы (P-T), а горизонтальные силы и момент - к суммарной горизонтальной силе H - с плечом  относительно горизонтальной оси, проходящей через центр тяжести подошвы фундамента.

T = u(h - 2,5),

где  = 20-30 кН/м² - средняя удельная сила трения на 1 м² боковой поверхности фундамента; u - периметр горизонтального сечения фундамента, м; h - глубина заложения подошвы фундамента, м.

Рис. 12.4. Схемы к расчету фундамента глубокого заложения на действие горизонтальной нагрузки при различном расположении точки D

Среднее давление по подошве фундамента определяется по формуле:

p = (P - T)/A  R,

где А - площадь подошвы фундамента; м²; R - расчетное сопротивление грунта под подошвой фундамента [14].

Коэффициент деформации системы фундамент-грунт, характеризующий соотношение жесткостей грунтового основания и фундамента определяется по формуле:

₅ ___________

 =  (Kb_p)/(_cEJ) ,

где K - коэффициент, принимаемый по [16, стр.35]; _c = 3 - коэффициент условий работы; EJ - изгибная жесткость фундамента; b_p = (d+1)(0,91) - условная ширина фундамента; d - диаметр или меньшая сторона фундамента; при h  2,5 считается, что фундамент является бесконечно жестким.

Горизонтальное реактивное давление, действующее по боковым граням фундамента, определяют по формуле (при этом в запас прочности не учитывают трение по подошве и по боковым граням фундамента):

P_y = 6H[y(y_o - y)/(A_kh)]; 

A_k = (b_ph³ +18bW)/[(2(3 - h )]; 

y_o = [b_ph²(4 - h ) + 6bW]/[(2b_ph(3 - h )]. 

Вертикальное давление P_z определяют по формуле:

P_z = 6Hz/(A_k),

где z  [-b/2; + b/2], b - сторона опускного колодца;  - отношение коэффициента постели в горизонтальном направлении на глубине h к коэффициенту постели в вертикальном направлении; W - момент сопротивления площади подошвы фундамента.

Краевые напряжения по подошве фундамента определяются по формуле:

P_{max, min} = 6(P-T)/A3bH/(A_k), P_max = 1,2R, P_min > 0.

Считается, что устойчивость фундамента в грунте обеспечена, если горизонтальное реактивное давление при y = h и y = h/3 меньше сопротивления грунта в этих точках, равного разности пассивного и активного давления грунта.

Изгибающий момент в сечении фундамента на глубине y определяется по формуле:

M_y = H{ - h + y[1 - ((b_py²)/(2A_kh))(2y_o - y)]}.

Угол поворота жесткого фундамента определяется по формуле:

 = 6H/(A_kkh).

Вертикальное перемещение (осадку) фундамента глубокого заложения определяют аналогично осадке свайного фундамента. При этом опускной колодец рассматривается как условный фундамент. Методика расчета по деформациям фундаментов из опускных колодцев приведена в [1, 5, 9, 14, 15].