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

кессона устанавливается на место проходки и в ней начинается разработка грунта. По мере выемки грунта кессон под тяжестью собственного веса постепенно погружается. При достижении глу­ бины грунтовых вод в рабочей камере создается избыточное дав-

Рис. 36. Схема кессонных работ:

/ — кессон; 2 — бетон; 3 — шахтная труба; 4 — шлюзовый аппарат

ление воздуха и дальнейшая работа ведется при непрерывном под­ держании этого давления. Над потолком рабочей камеры кессона производится кладка фундамента, чем увеличивается общий вес сооружения и обеспечивается погружение его по мере углубления. По достижении проектной глубины погружения рабочую камеру кессона также заполняют каменной кладкой или бетоном.

70

Работы под сжатым воздухом вредны для человека, поэтому при кессонных работах рабочий день сокращенный и пребывание в рабочей камере кессона строго ограничивается. Продолжитель­ ность пребывания зависит от величины избыточного давления. Работа же при давлении свыше 3,5 атм вообще не разрешается, чем лимитируется глубина проходки кессона в 35 м.

Для снижения вредного влияния кессонных работ на орга­ низм человека спуск в рабочую камеру и подъем из нее произво­ дятся через специальные шлюзовые камеры, где выравнивание давления производится постепенно с определенной скоростью. Для контроля за соблюдением надлежащего режима труда все кессонные работы проводятся под врачебным наблюдением.

Кессонные работы применяются не только для заложения глу­ боких фундаментов, но и при строительстве тоннелей (в частно­ сти, подводных).

Погружение кессонов можно производить на сухой террито­ рии, а также со дна акватории. В последнем случае отдельные готовые секции кессона доставляются на плаву и путем наращи­ вания в высоту опускаются на дно, после чего начинается про­ ходка грунта и погружение кессона в грунтовую толщу.

В последние годы в практике фундаментостроения разрабо­ таны и внедрены некоторые новые конструкции фундаментов глу­ бокого заложения.

Одной из таких конструкций являются тонкостенные железо­ бетонные или металлические оболочки диаметром 1,5 м и более, изготовляемые на заводах и доставляемые на место работ звенья­ ми длиной 8—12 м. Погружение оболочек производится принуди­ тельным задавливанием домкратами, вибрацией или завинчива­ нием. По мере заглубления к первому нижнему звену привари­ вается следующее.

Особенно широкое применение тонкостенные оболочки полу­ чили в портовом строительстве, где в пределах акватории часто развиты мощные толщи илов и других молодых слабоуилотненных отложений.

После погружения оболочки на заданную глубину (обычно до кровли плотных грунтов) ее освобождают (очищают) от на­ ходящегося в ней грунта, а затем заполняют бетоном. Если в тол­ ще слабых грунтов залегают прослои более плотных или гравели­ стых разностей, погружение оболочек легче производить завинчи­ ванием. В этом случае к нижней части первого звена приваривают специальный рыхлитель, обеспечивающий при вращении разруше­

ние плотных прослоев.

При проходке водонасыщенных песков применяют вибропо­ гружение, для чего на верхнем конце звена оболочки устанавли­

вают мощные вибраторы.

Сооружение опор можно производить также путем бетониро­ вания полости, пробуренной в грунте. Этим способом сооружаются опоры в слабых грунтах, в которых при бурении с глинистой про­

71

мывкой скважины диаметром 1,2—1,5 м могут не иметь крепления стенок. После бурения скважины на полную глубину в условиях полного се заполнения глинистым раствором на забой скважины по специальным трубам подается бетон. Будучи более тяжелым, чем глинистый раствор, бетон опускается на забой, вытесняет рас­ твор и постепенно заполняет всю скважину.

Опирание фундаментов на естественное основание иногда про­ водится путем установки на дно водоема или водотока опоры, не требующей заглубления (при сооружении причалов и набережных в портах, некоторых опор мостов и др.). Для этого используют тонкостенные железобетонные понтоны, которые на плаву заводят на место их установки и затем погружают на предварительно вы­ ровненное дно. Полость понтона заполняется каменной наброской, кладкой или тощим бетоном. При таком методе строительства важно иметь хорошо выровненную площадку дна и загрузку пон­ тона вести равномерно во избежание возможных перекосов.

При портовом строительстве опоры и фундаменты причалов, маяков и других сооружений иногда возводят методом подводного бетонирования.

§3. ИСКУССТВЕННЫЕ ОСНОВАНИЯ

Кустройству искусственных оснований прибегают в тех слу­ чаях, когда возведение фундамента на естественном основании оказывается затруднительным, экономически нецелесообразным

или даже невозможным. К числу подобных случаев относятся сле­ дующие:

1. Развитие в основании настолько слабых грунтов, что для опирания на них требуется такое расширение площади фундамен­ та или такое его заглубление, что это оказывается нерентабель­ ным.

2.Возможность нарушения устойчивости основания в процес­ се эксплуатации сооружения под влиянием фильтрационного пото­ ка, при наличии в толще грунтов основания водно-растворимых составляющих.

3.Возможность разрушения основания восходящим фильтра­ ционным потоком, выносящим мелкозернистые и пылеватые час­ тицы.

4.Возможность размыва основания открытым водным пото­ ком или волновым воздействием вод открытого бассейна.

5.Развитие в основании неустойчивых грунтов в виде отдель­ ных пластов, пропластков, линз или других тел, создающих усло­ вия для возникновения неравномерных осадок, выходящих за до­ пустимые пределы неравномерности.,

6.Возможность возникновения недопустимо больших осадок за счет деформации просадочных грунтов, сжатия грунтов с вы­ соким содержанием органических примесей, уплотнения илов и торфянистых образований и т. п.

72

По мнению многих специалистов, и в частности проф. Е. М. Сер­ геева, по мере разработки высокоэффективных и экономичных методов закрепления грунтов область применения искусственных оснований будет расширяться и можно предполагать, что создание фундаментов глубокого заложения, сопряженное с дорогостоящи­ ми работами, будет все больше заменяться применением методов физико-химического улучшения свойств грунтов.

В настоящее время для создания искусственных оснований разработан ряд методов, широко применяемых в строительной практике. Ниже рассматриваются только такие, как устройство подушек и замена грунта, шпунтовые ограждения и механическое уплотнение. Другие методы, к числу которых, в частности, отно­ сятся цементация и битумизация, силикатирование, смолизация, термический и другие методы улучшения свойств грунтов подробно изложены в курсе «Техническая мелиорация грунтов», читаемом для студентов специальности гидрогеология и инженерная гео­ логия и поэтому в настоящем пособии не рассматриваются.

Устройство подушек и замена грунта

При развитии в основании сооружения слабых неустойчивых грунтов (например, илов, торфа и других подобных отложений), неспособных в естественном состоянии выдержать нагрузки от фундаментов, возможны два варианта решений (рис. 37):

6

—

)>=гуг-.

а:__________ —

Рис. 37. Варианты устройства фундамента:

1) если мощность слабых грунтов велика (более 3—4 м), то можно применять распределительные подушки из песчаного грун­ та, которые передают нагрузку от фундамента на большую пло­ щадь и снижают удельное давление на естественное основание; 2) при малой мощности слабых грунтов возможна его полная

замена песчаной отсыпкой.

73

Устройство распределительных подушек, как и замену грунта, можно производить из котлована. В случаях очень неустойчивых грунтов оба варианта могут выполняться и без котлована, непо­ средственным отсыпанием песчаного материала на поверхность слабого грунта, с постепенным отжатием последнего из-под под­ сыпки по мере увеличения веса и объема отсыпаемого материала.

Оба варианта этого метода широко применяются при порто­ вом строительстве причальных сооружений, при возведении на­ бережных и других сооружений на толщах современных слабо­ уплотненных морских и озерных отложений. В дорожном строи­ тельстве при пересечении заболоченных территорий метод замены грунта путем отжатия торфа, сапропеля и ила отсыпкой грунта тела насыпи также имеет широкое применение.

В ряде случаев для ускорения процесса отжатия и достижения лучшего уплотнения поверх песчаных подушек укладывается ка­ менная наброска, что, кроме того, повышает сопротивление насыпи волновому воздействию и является полезным для улучшения устой­ чивости оснований портовых и других гидротехнических соору­ жений.

Шпунтовые ограждения

В некоторых случаях для повышения несущей способности ос­

выполнено из шпунта с замками, воспринимающими растягиваю­ щее усилие, то грунт, заключенный в «корсет», будет находиться в условиях невозможности бокового расширения, выпора основа­ ния не будет, и потери устойчивости грунтов в основании тоже не произойдет.

Такое устройство до некоторой степени равноценно сооруже­ нию фундамента глубокого заложения, но значительно более лег­ кое и экономичное. Однако рекомендовать его следует только в условиях, когда мощность слабого и неустойчивого грунта не ве­ лика и подстилается он плотным грунтом, в котором можно полу­

74

чить надежное укрепление шпунтовой стенки. Это решение обычно применяется при сооружении одиночных фундаментов (мостовых опор, фундаментов для маяков и т. п.) небольших размеров и преимущественно кругового очертания в плане.

Уплотнение грунтов

Уплотнение грунтов может быть проведено при помощи меха­ нических и некоторых других методов.

Механическое уплотнение грунтов имеет широкое применение в строительстве, особенно при сооружении дорожных земляных насыпей, земляных плотин и дамб различного назначения, обрат­ ных засыпок пазух между сооружением и стенками котлованов и т. п. Уплотнение грунтов, слагающих основание сооружений, представляет собой значительно более сложную задачу, для реше­ ния которой механическое уплотнение применяется реже.

В настоящем разделе мы рассмотрим методы уплотнения, на­ шедшие применение преимущественно в фундаментостроении. Дру­ гие методы описываются в главах II, IV, VI.

Механизмы, применяемые для уплотнения грунтов, можно раз­ делить на три основных типа: а) уплотняющие грунт собственным весом, б) ударные и в) вибрационные.

К числу первых относятся катки разнообразных форм, веса и конструкций, применяемые главным образом для уплотнения связных грунтов. Для песчаных грунтов они используются только при малой толщине уплотняемого слоя.

Из курса механики грунтов известно, что уплотняемость связ­ ных грунтов есть функция их влажности и что наилучшее уплотне­ ние достигается тогда, когда эта влажность близка к определен­ ной, называемой оптимальной. Кроме того, известно, что глини­ стые грунты почти не уплотняются, если их влажность либо близка к пределу текучести, либо много ниже предела раскатывания. В строительных нормах даются следующие примерные значения оп­ тимальной влажности (в %) для различных грунтов: для песча­ ных 8—17, супесчаных 15—18, суглинистых 17—20, глинистых

20—25.

Группу механизмов ударного уплотнения составляют различ­ ного рода трамбовки. В фундаментостроении при уплотнении грунтов основания в последние годы наибольшее распростране­ ние получил метод поверхностного уплотнения тяжелыми трамбов­ ками. Он заключается в том, что металлические или железобетон­ ные блоки, шары или плиты весом от нескольких сотен до тысяч килограммов сбрасываются с разной высоты при помощи кранов, копров и других механизмов. Такие трамбовки, изготовляемые обычно на стройплощадке, производят уплотнение в пределах зо­ ны, зависящей от диаметра трамбовки и составляющей до 1,5 диаметров работающего снаряда. В процессе трамбования в толще

7 5

грунта создается уплотненное ядро (рис. 39). Степень уплотнения грунта зависит от режима работы снаряда (веса трамбовки и вы­ соты сбрасывания), а также от влажности грунта.

Уплотнение вибрированием применяется для несвязных грун­ тов. Эффект уплотнения поверхностными вибраторами обычно не велик (на глубину до 50 см, а современными самоходными снаря-

Рис. 39. Образование уплотненного ядра под действием трамбования

дами и виброплитами — до 70—100 см), поэтому для уплотнения грунтов основания сооружений применяют глубинное виброуплот­ нение, для чего в толщу грунтов погружают специальные вибробу­ лавы или особые стержневые конструкции.

Виброуплотнение, так же как и другие виды уплотнения, за­ висят от влажности. Здесь тоже имеется своя оптимальная влаж­ ность, но отличающаяся от оптимальной влажности для ударного уплотнения. Наибольший эффект дает виброуплотнение в песчаных грунтах, содержащих не более 20% пылеватых и глинистых частиц.

Разновидностью глубинного виброуплотнения является гидро­ виброуплотнение, которое также применяется в песчаных грунтах с малым содержанием песчано-глинистых фракций.

Глубинное виброунлотнение производится путем погружения вибробулав в точках, расположенных по сетке с расстояниями, определяемыми специальным расчетом (обычно в пределах от 50 до 100 см между погружениями).

В практике уплотнения оснований, особенно сложенных во­ донасыщенными пылеватыми песками, а также лессовыми грун­ тами, в последние годы стал применяться метод песчаных или

76

грунтовых свай .может приниматься только после проведения цик­ ла пробных испытаний в условиях интересующей нас строитель­ ной площадки.

Уплотнение глинистых грунтов представляет собой еще более сложную задачу. В отличие от песков глинистые грунты хорошо уплотняются статической нагрузкой, однако этот процесс разви­ вается медленно.

Для ускорения уплотнения грунта весом сооружения в осно­ вании, сложенном слабыми глинистыми грунтами, закладывают систему скважин-дрен (применяется для ускорения осадок дорож­ ных и других насыпей, возводимых па болотных грунтах). В прак­ тике фундаментостроения предварительное уплотнение глинистых грунтов специально создаваемой статической нагрузкой обычно не применяется.

Вначале 30-х годов, по предложению М. Е. Кнорре, был при­ менен метод обжатия и уплотнения глинистого грунта при помощи гидродинамического давления фильтрационного потока, двигаю­ щегося через пласт глинистого грунта, лежащего на водопрони­ цаемом слое, из которого ведется откачка. Возникающий при этом нисходящий ток воды уплотняет грунт.

Однако уплотнение глинистых грунтов обычными методами осушения путем откачки (водоотлива) в большинстве случаев ока­ зывается малоэффективным вследствие низкой водопроницаемости

ималой водоотдачи этих грунтов.

Впоследнее время разработан метод осушения и укрепления водонасыщенных глинистых грунтов, основанный на изменении

свойств системы грунт — вода при наложении на массив грунта поля постоянного электрического тока.

§ 4. СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ

Свайные фундаменты относятся к одному из древнейших типов фундаментов, применение которых в настоящее время не только не сокращается, а, наоборот, возрастает. Заводское изготовление свай и механизация способов их погружения сделало применение их во многих случаях весьма эффективным.

Прежде чем приступить к описанию свай и свайных фунда­ ментов, рассмотрим условия передачи сваями и другими видами фундаментов нагрузки на грунт. На схеме рис. 40 изображены два фундамента различной формы, передающие нагрузку соо­ ружения Р на грунты основания таким образом, что часть нагруз­ ки Nо распределяется по подошве, а часть Лф — по боковой по­ верхности. Соотношения между этими частями могут быть весьма различными и зависят от формы, размеров и глубины фундамента или сваи, чередования в геологическом разрезе пластов разной прочности и свойств грунтов.

Для плоского и особенно неглубокого фундамента большая часть нагрузки будет восприниматься подошвой (сила Лф), тогда

77

как для глубокого фундамента преобладающее значение могут иметь силы бокового сопротивления (N5). Для фундамента-стол­ ба глубокого заложения или для сваи, имеющих малое поперечное сечение, вся внешняя нагрузка будет уравновешиваться силами бокового сопротивления (Nq) и на подошву практически не будет оказываться никакого давления (N0 = 0).

через боковые силы сопротивления и не развивается опорное дав­

прочный грунт и работающие за счет этого опирания, называются с в а я м и - с т о й к а м и , а фундаменты из них — свайными фун­ даментами стоечного типа (рис. 42).

Различие в условиях работы между висячим и стоечным свай­ ными фундаментами очень существенно, поэтому при проектиро­ вании нужно на основании анализа геологического строения уча­ стка с самого начала правильно выбрать тот или иной тип опира­ ния.

Свайный фундамент представляет собой либо одиночную сваю, либо группу свай, объединенных в верхней части бетонным, желе­ зобетонным или деревянным массивом, либо конструкцией — рост­ верком (надстройкой). Различают свайные ростверки низкого и высокого типа. В первом из них головы свай расположены ниже поверхности земли, а во втором — выше. При высоком ростверке

7 8

собственно сваей называется та ее часть, которая погружена в грунт, а часть, находящаяся выше поверхности земли и передаю­ щая давление от сооружения, называется стойкой.

Сваи изготовляют из дерева, металла, железобетона и бетона. По положению продольной оси различают сваи вертикальные

и наклонные.

По форме сваи могут быть сплош­ ными, пустотелыми, круглого, квадрат­ ного, прямоугольного и крестообразно­ го сечения; постоянного (цилиндриче­ ского или призматического) и пере­ менного сечения (конические, телеско­ пические, с местным уширением).

По методу погружения и изготов­ ления сваи делятся на забивные, вин­ товые и набивные. К числу забивных относятся также сваи, погружаемые вдавливанием, вибрированием и с подмывом грунта.

Кроме этих типов существуют сваи-оболочки, представляющие собой тонкостенные цилиндры диаметром больше 1 м, опускаемые в скважины или погружаемые вибрированием и

заменяющие глубокие фундаменты типа опускных колодцев.

Забивные сваи и способы их погружения

Кчислу забивных свай относятся деревянные, металлические

ижелезобетонные.

Деревянные сваи — это наиболее древний тип свай, широко применявшийся в прошлом. В настоящее время ввиду большой долговечности железобетонных свай деревянные применяются

реже.

Деревянные сваи бывают длиной от 5 до 25 м и толщиной от 15 до 40 см. Длинные сваи деляются сращенными по длине. По­ гружение производится забивкой.

Деревянные сваи изготавливают из сосны или лиственницы, и при заглублении ниже уровня грунтовых вод они имеют прак­ тически неограниченный срок службы. Однако в зоне переменной влажности этот срок сокращается до 5 лет и менее.

Металлические сваи начали употребляться еще в прошлом столетии. В настоящее время они применяются в виде цельнока­ таных труб, залавливаемых или погружаемых в грунт вибрирова­ нием или с подмывом. Особенно широко этот тип свай применяет­ ся при возведении сооружений для морских нефтепромыслов.

Кроме этого, применяют винтовые металлические сваи диа­ метром от 30 до 130 см с лопастями диаметром, в 2—2,5 раза

79