книги из ГПНТБ / Максимов С.Н. Инженерные сооружения (с основами строительного дела) учеб. пособие

желых механизмов или машин, производящих удары при разра­ ботке грунта. В скальных грунтах вредны большие заряды взрыв­ чатого вещества, которые сильно дробят породу и могут вызвать повышение трещиноватости основания и т. д.

Кроме того, всякая проходка котлована представляет собой выемку грунта, что нарушает существовавшее напряженное со­ стояние грунтового массива и во многих случаях сопровождается изменением режима грунтовых и подземных вод. В результате этого дно котлована, разгруженное от веса вынутого грунта и подвергающееся воздействию притекающих к нему вод, будет ис­ пытывать подъем за счет выпучивания дна или набухания грунтов. Оба эти явления (рис. 26) возра-

Открытый водоотлив вызывает образование восходящего тока воды, поступающей в котлован, что в свою очередь может вызвать подъем дна и разрушение грунта. Для борьбы с этим явлением следует применять грунтовое водопонижение.

В качестве общих мер по сохранению естественной структуры грунтов в основании и возможно меньшему изменению, их свойств при вскрытии котлована рекомендуется соблюдать следующие об­ щие правила ведения строительных работ:

1. Организовать поверхностный водоотвод атмосферных во путем соответствующей планировки территории, устройства нагор­ ных и отводных канав и т. п., не допуская, кроме того, скаплива­ ния воды в самом котловане.

60

2. При открытом водоотливе забирать воду из специально устроенных приямков и защитных канав (рис. 27), обеспечивая положение уровня воды на 0,2—0,5 м ниже дна котлована и не допуская застаивания воды в котловане даже во время перерывов

вработе.

3.При слоистых, ленточных и других подобных грунтах в условиях, когда открытый водоотлив не обеспечивает сохранения ненарушенное™ грунтов основания, применять грунтовое водопонижение.

4.Если земляные работы по вскрытию котлована произво­ дятся экскаваторами шагающими или на гусеничном ходу, не до­ бирать дно котлована до проектной отметки на 0,4—0,5 м, а ос­ тавшийся слой разрабатывать вручную или снарядами, не раз­ рушающими грунт (скреперами).

5.В глинистых грунтах (при всех способах производства ра­ бот) оставлять защитный слой мощностью 0,2—0,4 м (в зависи­ мости от типа грунта), который снимать непосредственно перед кладкой фундамента.

6.При разработке котлованов в скальных грунтах рыхление взрывами вести по специальному режиму, уменьшая дозировку взрывчатого материала по мере приближения к проектной отметке заложения фундамента.

7.В зимних условиях не допускать промораживания грунтов основания, проводя надлежащую их защиту. В случае если про­ изойдет замерзание, удалить весь поврежденный слой грунта.

Фундаменты в котлованах

Наиболее простым видом строительной выемки, в которой про­ изводится возведение фундамента или другого заглубленного соо­ ружения, является открытый котлован с откосами.

При выборе крутизны откоса нужно учитывать, с одной сто­ роны, необходимость производства наименьшего объема работ (для чего откос должен быть максимально крутым), с другой — обеспеченность устойчивости откосов, для чего они должны иметь определенную крутизну для разных грунтов и для разной высоты откоса.

Устойчивость откосов есть функция многих факторов, основ­ ными среди которых являются: прочностные свойства грунтов (со­ противление сдвигу), слагающих откос; наличие выхода фильтра­ ционного потока на откос и движения поверхностных вод по от­ косу; напряженное состояние пород в откосе (функция высоты и формы откоса) и др.

Для выбора заложения откоса глубоких котлованов необхо­ димо определить соответствующие свойства грунтов и произвести расчет устойчивости откосов.

Для котлованов малой глубины (до 5 м), закладываемых выше уровня грунтовых вод в толще пород простого геологиче­

61

ского строения, можно, ориентируясь на нормативные документы (ТУ на производство и приемку строительных работ), принимать следующие отношения высоты откоса к его заложению:

для песков — 1 :0,75 для супесей —■1 : 0,50 для суглинков — 1 : 0,33

для глин и сцементированных конгломератов— 1:0,25 для сланцев и скальных пород — вертикальный откос

Однако проходка котлована как по геологическим условиям, так и по местоположению среди других сооружений часто бывает такой, что открытая разработка его со свободными откосами ока­ зывается непригодной.

гружаемые на проектную глубину.

Рис. 28. Металлический шпунт

Закладные распорные крепления применяются для удержания стенок котлованов в маловлажных грунтах и могут быть как сплошными ■— в рыхлых и влажных грунтах, — так и не сплош­ ными — в слабовлажных устойчивых грунтах.

В водоносных грунтах крепление должно быть плотным, не допускающим вытекания грунта. В большинстве случаев строи­ тельной практики в таких условиях применяют забивную шпунто­ вую крепь, которая может быть металлической или деревянной. Последняя менее эффективна, так как не позволяет многократно ее использовать, что вполне допустимо для металлического шпун­ та. Шпунтовая крепь может работать как свободно стоящая стенка либо с устройством распоров. Для обеспечения устойчивости та­

62

кого крепления шпунт погружают ниже дна котлована на глуби­ ну, определяемую расчетом в зависимости от высоты стенки и ме­ ханических свойств грунтов. Металлические шпунты выпускаются разного профиля — коробчатого, плоского (рис. 28), зетобразного и др.

Погружение шпунта ведется забивкой молотом (для чего на верхушку шпунтины надевают предохранительный наголовник) или с помощью вибраторов. Метод вибропогружения, разработан-

Рис. 29. Земляные перемычки

ный в СССР в конце 40-х годов проф. Д. Д. Барканом, более прогрессивный и производительный, чем забизка, и широко при­ меняется в настоящее время в строительстве.

При возведении фундаментов в пределах акватории (опоры мостов, портовые и гидротехнические сооружения) для ведения работ в открытом котловане применяют временные ограждающие сооружения (перемычки), под защитой которых откачивают воду и осушают место строительства.

Наиболее крупные перемычки применяют при гидротехничес­ ком строительстве.

По своей форме перемычки могут быть различными. Для соо­ ружений небольших размеров, располагающихся в некотором уда­ лении от берега, перемычки возводят в виде замкнутого контура, ограждающего от воды место постройки. Если сооружение распо­ лагается около берега, то перемычки делают с трех сторон, при­ чем при большой длине сооружения (например, набережной) строительство ведут по секциям, ограждая по очереди отдельные участки перемычками.

Во всех случаях отметка верха перемычки должна быть выше отметки горизонта воды во время паводка, во избежание затоп­ ления котлована.

Наиболее просты земляные перемычки (рис. 29), которые можно возводить из любого грунта. После откачки воды из кот­ лована в теле перемычки возникает фильтрационный поток.

Другим видом перемычки является одиночная шпунтовая с присыпкой (рис. 30) или двойная с засыпкой между шпунтами. Наилучшая засыпка для такой перемычки не глинистый грунт, способный к разуплотнению и разжижению, а песок, как более устойчивый, хотя и имеющий большую водопроницаемость.

В ряде случаев, например при ограждении котлована в реке для строительства мостовой опоры, когда надо защитить перемыч­ ку от размывания текущей водой и разрушения льдом во время ледохода, строят ряжевые перемычки, которые состоят из загру-

63

женных камнем ряжей, составляющих опору конструкции, и проти-

Рис. 31. Ряж с защитной присыпкой:

/ — песчаная отсыпка; 2 — фашинный тюфяк; 3 — каменная засыпка; 4 — ряж

ние основания и потеря устойчивости откосов. В таких случаях оказывается необходимым применить искусственное понижение уровня грунтовых вод и обеспечить тем самым нормальные усло­

Этот способ основан на том, что при откачке воды из сква­ жины, оборудованной фильтром, вокруг нее образуется депрессионная воронка тем большего диаметра, чем выше водопрони­ цаемость водовмещающих грунтов. Если по периметру котлована (а для траншей — вдоль траншеи) заложить систему скважин, из которых производить откачку воды, то между скважинами про­

64

изойдет понижение уровня грунтовых вод (рис. 32). При этом пре­ кратится поступление воды в котлован с откосов и со дна, увели­ чится устойчивость откосов и произойдет уплотнение грунтов

Рис. 32. Схема водопонижающей установки:

основания под воздействием нисходящего тока откачиваемой воды. Кроме того, таким образом может быть снят напор подзем­ ных вод, залегающих под водоупорными грунтами основания, чем будет уменьшена возможность их выпора и прорыва дна котло­ вана.

Всасывающие насосы понижают уровень воды на 7—8 м, по­ этому глубина водопонижения внутри контура работы установки будет не более 5 м. Для получения большей глубины водопони­ жения применяют ярусную систему расположения в о д о п о н и ­

водопонижение в скважины на определенную глубину устанавли­ вают погружные центробежные насосы, которые обеспечивают водоотлив с понижением уровня грунтовых вод на заданную глу­ бину. Для этих целей применяют такие эжекторные насосы и эр­

лифты, которые позволяют получить большую глубину водопонижения при расположении двигателей и компрессоров на поверх­ ности земли.

Для устройства водопонизительных колодцев применяются бурение и гидропосадка. Гидропосадка — это метод погружения в грунт трубы с фильтром путем нагнетания в нее воды и размыва грунта. При этом выходящая на поверхность вода выносит мелкие частицы, а крупнопесчаные час­ тицы оседают вокруг трубы и создают дополнительный песчано­ гравелистый фильтр.

Для неглубокого или много­ ярусного водопонижения широко применяют легкие иглофильтро­ вые установки. Основная часть установки—иглофильтр (рис. 34) состоит из трубы диаметром 50—70 мм, имеющей внизу нако­ нечник с шаровым клапаном. Над наконечником располагается

всасывающая часть трубы с отверстиями, покрытая фильтрацион­ ной сеткой. При гидропогружении вода, нагнетаемая в трубу, раз­ мывает грунт и иглофильтр погружается под действием собствен­ ного веса. При откачке шаровой клапан закрывает нижнее отвер­ стие и вода через фильтр поступает во всасывающую часть трубы.

66

диняют их с общим всасывающим трубопроводом, подключенным к насосу.

При гидропогружении иглофильтров в пески воду для размыва подают под давлением 5—8 атм. Для погружения их в толщу пес­ ков с глинистыми или торфяными прослоями наконечник игло­ фильтра снабжается специальным рыхлителем. Для облегчения погружения в крупнообломочный материал (гравий, галечник) од­ новременно с водой в иглофильтр подается сжатый воздух.

Применение искусственного водопонижения наиболее целесо­ образно в песчаных и гравийно-песчаных грунтах, коэффициент фильтрации Кф которых находится в пределах от 1 до 150 м/сут.

Водопонижение должно начинаться несколько ранее момента достижения котлованом глубины залегания грунтовых вод и про­ должаться без всяких перерывов (во избежание затопления котло­ вана) в течение всего периода проходки.

Проектирование глубинного водопонижения производится исходя из размеров котлована, его глубины, а также водопрони­ цаемости грунтов. При этом определяют необходимые мощности насосных установок, расстояния между скважинами, расстояния от скважин до бровки котлована, глубину и конструкцию сква­ жин и фильтров. Для получения надежных величин водопониже­ ния весь этот расчет ведется с некоторым запасом, обеспечиваю­ щим ведение строительных работ в осушенном котловане.

Для проходки котлованов в слабых водонасыщенных суглин­ ках, тяжелых супесях и плывунах, когда понижение уровня грун­ товых вод трудно осуществимо, может быть применено искусствен­ ное замораживание грунтов, что позволяет получить устойчивые вертикальные стенки котлована, создать водонепроницаемую пре­ граду притоку вод и вообще увеличить устойчивость грунтов во­ круг котлована. Искусственное замораживание грунтов применяет­ ся также при проходке шахт и наклонных тоннелей в неустойчи­ вых водонасыщенных грунтах. Этот метод исключительно надежен и обеспечивает безопасное ведение работ. Однако он не лишен не­ достатков, к числу которых относится высокая стоимость, а также затрата длительного времени до вскрытия котлована для замора­ живания грунтов. При высоких скоростях движения подземных вод получение мерзлотной завесы является весьма сложным, если не невозможным.

Для создания мерзлотной завесы вокруг котлована по замк­ нутому контуру бурят скважины на глубину, превышающую глу­ бину котлована (желательно на всю мощность пласта водоносных и неустойчивых грунтов). Расстояние между скважинами выби­ рается исходя из водопроницаемости грунтов — обычно 1,0—2,5 м.

В скважины опускаются герметически заваренные трубы-колонки

сопущенными в них тонкими трубками, по которым подается охлажденный раствор. Из колонки раствор возвращается по об­

67

ратному трубопроводу на замораживающую станцию, где снова подвергается охлаждению. В процессе циркуляции охлажденного раствора в замораживающих колонках вокруг последних проис­ ходит охлаждение грунта и нарастание ледяного цилиндра. Актив­ ное замораживание продолжают до тех пор, пока между сосед­ ними замораживающими колонками не произойдет смыкание ледогрунтовых цилиндров и не образуется сплошная стенка замо­ роженного грунта. После этого осуществляют охлаждение для под­ держания грунта в замороженном состоянии.

Вся система замораживания грунтов работает по двум зам­ кнутым циклам: холодильная машина, «вырабатывающая холод», и внешний цикл циркуляции охлажденного раствора к заморажи­ вающим колонкам и обратно в холодильник. В первом цикле ис­ пользовано свойство сжиженного газа (аммиака или углекисло­ ты) поглощать тепло при испарении и расширении, для чего сжа­ тый компрессором газ поступает в большой резервуар — испари­ тель, где он испаряется и отбирает тепло из окружающей среды. Испаритель погружен в бассейн — холодильник, наполненный рас­ твором хлористого кальция, не замерзающим при температурах до —30—35°. Специальный насос перекачивает охлажденный рас­ твор по замкнутому кругу: холодильник — трубопровод—-замора­ живающая колонка и по обратному трубопроводу снова в холо­ дильник. Такая система позволяет охладить грунт до температу­ ры —10—15° у поверхности колонки и до температуры —4—5° на расстоянии 0,5 м от колонки. В 2 м от колонки температура грун­ та сохраняется положительной.

Для создания мерзлотной завесы в зависимости от особенно­ стей свойств грунтов требуется непрерывная работа заморажи­ вающей станции в течение 1—2 месяцев. Для последующего под­ держания завесы станция может работать периодически, подавая охлажденный раствор в течение 6—8 час ежесуточно, однако режим работы станции зависит от особенностей инженерно-гео­ логической и, главное, гидрогеологической обстановки.

Фундаменты глубокого заложения

Устройство глубокого котлована в слабых водонасыщенных грунтах всегда представляло собой весьма сложную задачу. Для опирания одиночного или группы фундаментов на глубоколежащие плотные и устойчивые грунты в течение длительного времени при­ меняли метод опускного колодца. Он заключается в том, что на поверхности строительной площадки изготовляется наружная оболочка фундамента из каменной кладки или бетона. Эту наруж­ ную оболочку (ее первое звено или всю целиком, в зависимости от размеров и глубины фундамента), имеющую вид колодца, ис­ пользуют вначале как крепь. Для этого, установив ее вертикально (рис. 35), начинают разрабатывать и удалять грунт внутри колод­ ца. По мере выемки грунта колодец под влиянием собственного

68

веса постепенно погружается. Для облегчения погружения на ниж­ ней части стен колодца имеются «ножи», прорезывающие грунт. После достижения плотного грунта (или проектной отметки) вы­ емку грунта прекращают и колодец заполняют каменной кладкой, тощим бетоном или даже грунтом.

Разработка грунта внутри колодца может производиться вруч­ ную или с применением той или иной механизации (грейферный подъем, гидромеханизация и т. п.).

а

Опускные колодцы небольшой глубины изготовляются сразу на всю высоту, а затем опускаются. При большой глубине колод­

представляющие собой рабочие камеры с повышенным давлением воздуха, с помощью которого из окружающих грунтов отжимается вода (рис. 36). Повышенное давление должно постоянно поддер­ живаться в кессоне и по мере его заглубления увеличиваться.

Разработка грунта в кессоне может производиться вручную или с применением той или иной механизации.

Отсутствие в кессоне воды позволяет применять его в грун­ тах, содержащих твердые прослои и крупные препятствия—валу­ ны, погребенные деревья и пр.

Начало работ по погружению кессона в значительной степени похоже на работу методом опускного колодца. Рабочая камера

69