книги / Механика грунтов, основания и фундаменты

ягп

д м

imm

i mm i м д "I mm

Щ^////

р щ щ i f i

■' ;'! ? ®5?Я5Я5Е?Ш$

■■и т Ш Щ № Ш

Рис. 13.13. Конструкции, сооружаемые способом «стенав грунте»:

а — котлованывгородскихусловиях; б — подпорныестенки;в — тоннели; г — противофильтрационные диаффамы; д — подземныерезервуары

ность устройства глубоких котлованов и заглубленных помещений вблизи существующих зданий и сооружений без нарушения ихустойчивости, что особенно важно при строительстве в стесненных условиях, а также при реконструкции сооружений.

Некоторые примеры использования способа «стена в грунте» показаны на рис. 13.13.

Технология устройства «стены в грунте». Сооружение «стены в грунте» начинается с устройства сборной или монолитной форшахты. Форшахта служит направляющей для землеройных машин, опорой для подвешивания армокаркасов, бетонолитных труб, сбор­ ных железобетонных панелей и т. п. и обеспечивает устойчивость стенок в верхней части. Форшахту обычно устраивают в траншее, отрытой по контуру будущей стены на глубину 0,7...0,8 м, внутрен­ нее расстояние между стенками форшахты принимают на 10...15 см больше ширины траншеи. При высоком уровне подземных вод форшахту устраивают на подсыпке из песчаного грунта.

После устройства форшахты приступают к отрывке траншеи. Отрывку ведут отдельными захватками длиной 4...б м. Откопав первую захватку на всю глубину стены (до 30...50 м), по ее торцам устанавливают ограничители из стальных труб или железобетонных столбов, арматурные сетки и методом вертикально перемещающей­ ся трубы (ВОТ) укладывают бетонную смесь. Затем переходят

361

а- перваяочередьработ;6- втораяочередьработ; / - форшахта;2 - базовыймеханизм; 3 - бетонолитная труба; 4 - глинистый раствор; 5 - грейфер; 6 - траншея под одну захватку; 7 - арматурныйкаркас; 8 - бетоннаясмесь; 9 - забетонированная секция; 10

-ютовая ’’стена в грунте”

кзахватке «через одну», а после ее устройства — к промежуточной и т. д., в результате чего получается сплошная стена (рис. 13.14). Такой метод устройства «стены в грунте» называется методом

последовательных захваток ши секционным методом. На практике работы по бетонированию одной захватки и отрывке последующей часто совмещают.

Дл? удержания стен захватки против обрушения по мере углу­ бления в нее подливают тиксотропный глинистый раствор. Уровень раствора должен быть всегда выше уровня подземных вод, чтобы исключить фильтрацию воды из грунта в траншею. Для приготов­ ления глинистых растворов используют бентонитовые глины, а при

362

их отсутствии — местные глины, к которым предъявляются опреде­ ленные требования (см. § 13.1). После отрывки захватки и заполне­ ния ее бетонной смесью вытесненный глиняный раствор, содер­ жащий частицы разрабатываемой породы, идет на очистку (регене­ рацию) и снова поступает в траншею.

Разработка грунта в траншеях ведется оборудованием цикличес­ кого или непрерывного действия. К оборудованию циклического действия относятся экскаваторы типа «обратная лопата» с удлинен­ ной стрелой и узким ковшом, позволяющие отрывать траншеи глубиной до 7...8 м, и двухчелюстные грейферы, подвешенные на канате стрелы крана-экскаватора либо закрепленные на специаль­ ной жесткой штанге. Грейферы имеют большое раскрытие челюстей (3...5 м), что позволяет разрабатывать грунт одновременно на всю длину захватки. Более удобны штанговые грейферы, внедряемые

вгрунт под значительным усилием.

Вмеханизмах непрерывного действия грунт разрабатывается вращающимися фрезами, перемешивается с глинистым раствором

и в виде пульпы эрлифтом выдается на поверхность. Оборудование непрерывного действия бол® нроизводительное, но и более слож­ ное и дорогое в эксплуатации.

Наряду с монолитным бетоном формирование «стены в грунте» можно осуществлять заполнением секций траншей сборными желе­ зобетонными панелями. Для удобства монтажа толщина панелей принимается на 6... 10 см меньше ширины траншеи, а образовавшие­ ся зазоры заполняют специальным цементно-песчаным или цемент­ но-глинистым тампонажным раствором. Тамцонажный раствор во время закладки должен быть жидким, а после твердения иметь прочность не ниже прочности окружающего грунта, легко снимать­ ся с внутренней поверхности панелей при отрывке котлована и быть водонепроницаемым.

При устройстве стен из сборных железобетонных панелей из технологического цикла исключается трудоемкий процесс бетони­ рования на строительной площадке, ускоряются темпы производст­ ва работ, достигается высокое качество внутренней поверхности стен. Кроме того, появляется возможность устройства стен с высту­ пами, окнами для пропуска анкеров, закладных деталей для крепле­ ния панелей и т. д. . г ■

После возведения «стены в грунте» по всему периметру сооруже­ ния (массивного фундамента, заглубленного помещения и т. п.) удаляют грунт из внутреннего пространства и возводят внутренние конструкции. Устойчивость стены при удалении грунта обеспечива­ ется ее заделкой в основание. Если заделки в основание недостаточ­ но, то проектом должны предусматриваться распорные или анкер­ ные крепления. Распорные крепления применяют при расстоянии между параллельными несущими стенами до 15 м. При расстоянии между стенами свыше 15 м, когда установка распорных креплений затруднена, устойчивость стен обеспечивается применением анкеров.

363

Расчет устойчивости «стены в грунте» и ее прочности производят методом «упругой линии» или методом конечных элементов на ЭВМ (см. § 14.2), а грунтовых анкеров, чаще всего применяемых в качестве анхерующих конструкций стен,— по методу, изложенному в § 13.5.

13.5.Анкеры в грунте

Анкеры представляют собой устройства, служащие для пере­ дачи выдергивающих усилий от строительных конструкций на грун­

товую толщу.

Рис. 13.15. Применение анкерных устройств:

а — креплениекотлована; б — креплениеднищаи стенокдокаилишлюза; в, г — восприятие выдергивающих сил в фундаментах дымовых труб и мачт ЛЭП; д — креплениеоткоса;е — усилениеподпорнойстенки; ж — креплениесвода подзем­ ного перехода; з — противодействие взвешивающему давлению грунтовой воды на тоннели; и — восприятие опрокидывающего моментаот перекрытияангара

364

Грунтовые анкеры применяют в промышленном, гражданском, транспортном и гидротехническом строительстве. Их используют для закрепления ограждений котлованов, стен подземных сооруже­ ний, опускных колодцев, откосов и склонов, фундаментов дымовых труб, мачт и башен и т. д. (рис. 13.15). Широкое использование анкеров объясняется исключительно положительным эффектом их применения. Так, при устройстве глубоких котлованов применение анкеров позволяет не только сделать ограждающую конструкцию более легкой, но и вести строительные работы рядом с сущест­ вующими сооружениями, не опасаясь развития в них чрезмерных деформаций. Кроме того, применение анкеров позволяет полно­ стью освободить внутреннее пространство котлована от распорок и стоек, тем самым значительно упростив и ускорив производство строительных работ.

Анкеры препятствуют всплытию заглубленных сооружений, что позволяет делать их более легкими. Крепление анкерами днищ сооружений, заглубленных ниже уровня подземных вод, уменьшает изгибающие моменты, что дает возможность сократить расход материалов. Применение анкеров для восприятия опрокидывающе­ го момента в фундаментах дымовых труб, опор линий электропере­ дачи и т. д. позволяет не только улучшить устойчивость сооруже­ ния, но и уменьшить его массу и размеры.

Эффективно также применение анкеров при креплении ополз­ невых склонов, сооружении подпорных стенок, обделке подземных сооружений и во многих других случаях.

Анкеры можно использовать в различных грунтах, за исключе­ нием набухающих, просадочных и сильносжимаемых грунтов, илов, торфов и глин текучей консистенции.

Конструкции анкеров и технология их устройства. Конструкция анкера зависит от вида возводимого сооружения, его назначения и срока службы, геологических и гидрогеологических условий стро­ ительной площадки и ряда других факторов.

По сроку службы анкеры подразделяют на временные и постоян­ ные. Временные анкеры устраивают на срок выполнения строитель­ но-монтажных работ или для крепления временных сооружений, таких, как шпунтовые стенки при отрывке глубоких Котлованов. Постоянные анкеры являются составной частью конструкции и устраиваются на весь срок службы капитального сооружения. Постоянные анкеры отличаются от временных усиленной антикор­ розионной защитой.

По схеме взаимодействия с грунтом анкеры разделяют на наземньГе и заглубленные. Наземные (гравитационные) анкеры применя­ ют главным образом как временные. Конструкции их довольно разнообразны. Простейшая из них представляет железобетонную плиту с гладкой подошвой. Плита укладывается на спланирован­ ную поверхность грунта или в небольшое углубление. Лучший эффект достигается, когда поверхность подошвы штаты имеет ши­

365

пы ступенчатой формы. Наземные анкеры как бы выполняют функ­ ции тяжелого якоря.

Заглубленные анкеры находятся внутри массива и работают за счет сопротивления грунта. Конструктивно заглубленный анкер состоит из трех основных частей: оголовка, анкерной тяги и анкер­ ной заделки. Оголовок воспринимает усилие от конструкции, кото­ рую крепит анкер, анкерный тяж передает это усилие на безопасное расстояние в толщу грунта, анкерная заделка обеспечивает даль­ нейшую передачу усилия с тяги на окружающий грунт. В зависимо­ сти от способа устройства заделки заглубленные анкеры бывают засыпными, буровыми, инъекционными, забивными, завинчиваю­ щимися и т. д. Наиболее прогрессивными и надежными считаются инъекционные предварительно напряженные анкеры.

Инъекционный предварительно напряженный анкер представля­ ет собой устройство, один конец которого закрепляется в грунте путем инъекции под давлением цементного, силикатного или поли­ мерного раствора, а другой после предварительного напряжения фиксируется на удерживаемом сооружении. Скважины для инъекци­ онных анкеров пробуриваются или пробиваются ударными механи­ змами. В качестве тяжей применяют сплошные металлические стержни, трубы, тросы и т. д. Для подачи инъекционного раствора

вбуровую полость к анкерной тяге прикрепляют инъекционные трубки. Если анкерной тягой служит металлическая труба, то ее используют для подачи твердеющего раствора в скважину, для чего

взоне заделки труба имеет отверстия для выпуска раствора в грунт. Подъему раствора из зоны заделки вверх по скважине препятствует особое устройство — пакер (рис. 13.16).

Предварительное натяжение анкеров производят для предотв­ ращения или максимального ограничения перемещений анкеруемой конструкции. Натяжение обычно осуществляют с помощью дом­ кратов.

При устройстве анкеров проводят пробные, контрольные, и при­

366

ной нагрузке, заложенной в проекте. Число контрольных испытаний должно составлять не менее 10% общего числа устанавливаемых анкеров.

При приемочных испытаниях определяют пригодность анкера к эксплуатации. Если при выдержке во времени на испытательной нагрузке, превышающей рабочую, разность деформаций в интерва­ лах времени остается одинаковрй или уменьшается, то анкер счита­ ется пригодным. Приемочным испытаниям подвергаются все ан­ керы, кроме прошедших контрольные испытания.

Расчет анкеров. Допускаемые усилия на анкер определяются прочностью материала анкерной тяги и несущей способностью зоны заделки анкера в грунте.

Сечение анкерной тяги рассчитывается обычными методами со­ противления материалов. Для расчетов анкерной заделки существу­ ют инженерные методики, рассматриваемые в специальной литера­ туре. Ориентировочно несущую способность анкера по грунту мож­ но определить по методике расчета несущей способности свай как сумму сопротивлений по торцу и боковой поверхнсти зоны заделки:

F^yM W ycK W l-dcjR + ycflkltf], П (13.7)

где ус, ycR, ус/ — коэффициенты условий работы, принимаемые по

СНиП 2.02.03 — 85 п. 4.5 и табл. Зп. 4.2; Dk—диаметр заделкй, м, принимаемый для безынъекционных анкеров равным dc, а для инъе­ кционных — 3d,, dc— начальный диаметр скважины, м; й и / — удельные сопротивления по торцу и боковой поверхности анкерной заделки, кПа, принимаемые как для свай по табл. 11.1 и 11.2; 4 — длина заделки анкера, м.

Институт «Фундаментпроект» рекомендует определять несущую способность анкера, пренебрегая сопротивлением грунта по торцу заделки, а сопротивление трению по ее боковой поверхности прини­ мать с учетом напряженного состояния окружающего анкер грунта, которое зависит от избыточного давления при инъецировании це­ ментного раствора:

где к =0,6 — коэффициент однородности грунта; тр ■— коэффици­ ент. учитывающий напряженное состояние окружающего грунта в зависимости от давления при инъецировании и принимаемый для песков 0,5, для глин различной консистенций — 0,4...0,2; dc— диа­ метр скважины; рц —-избыточное давление в зоне заделки при инъецировании; ср1— расчетное значение угла внутреннего трения грунта в зоне заделки анкера.

Изложенные методики определения несущей способности анке­ ров по грунту используют только для предварительных расчетов. Окончательные ра[змеры зоны заделки назначаются после проведе­ ния испытаний опытных анкеров. Как правило, она принимается

367

в пределах 4...5 м в песчаных грунтах и 5...7 м в глинистых. Расстояние между анкерами в зоне заделки принимается не менее 1,5 м, с тем чтобы их взаимное влияние не слишком сказывалось на несущей способности анкеров.

Глава 14

ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОТЛОВАНОВ. ЗАЩИТА ПОДВАЛОВ И ФУНДАМЕНТОВ ОТ ПОДЗЕМНЫХ ВОД И СЫРОСТИ

14,1. Общие положения

К отлованам и называют выемки, выполненные в грунте и пред­ назначенные для различных целей: устройства фундаментов, монтажа подземных конструкций, прокладки туннелей и т. п. Выемки, име­ ющие малую ширину и большую длину, называют транш еями, а имеющие малые размеры в плане и большую глубину — ш ахтами.

Проект разработки котлована является составной частью обще­ го проекта здания или сооружения и включает в себя чертежи котлована, указания по производству и организации работ, защит­ ные мероприятия.

На чертежах котлована (план и разрезы) указываются горизон­ тальная и вертикальная привязки котлована к местности, основные оси, размеры поверху и понизу, абсолютные отметки дна и всех заглублений, заложение откосов.

Проект производства и организаций работ содержит указания о способе производства работ, последовательности и сроках выпол­ нения операций, комплекте машин и механизмов для производства работ, расстановке землеройных машин и транспортных средств

взабое и т. д. Все работы по устройству котлованов производятся по правилам и нормам производства работ, что рассматривается

всоответствующих курсах.

Целью защитных мероприятий является сохранение природной структуры грунтов в основании возводимых фундаментов и обес­ печение устойчивости стенок котлована на все время производства строительных работ.

Необходимость сохранения природной структуры грунтов объ­ ясняется тем, что ее нарушение в процессе производства работ нулевого цикла сопровождается, как правило, ухудшением стро­ ительных свойств основания.

Так, у большинства неводонасыщенных грунтов при замачива­ нии за счет изменения природной структуры уменьшаются про­ чностные и деформативные характеристики. Отсюда требование — не допускать скапливания на дне котлована атмосферной или грунтовой воды, для чего проектом предусматриваются специаль­ ные меры для защиты котлована от обводнения (затопления повер­ хностными или подтопления подземными водами).’

368

, При отрывке котлованов в зимнее время следует иметь в виду, что большинство влажных и водонасыщенных грунтов при промер­ зании обладает пучинистыми свойствами. Чтобы предотвратить промерзание грунтов дна котлована, их покрывают слоем шлака или другого аналогичного по свойствам материала.

Необходимость проведения защитных мероприятий по сохране­ нию природной структуры грунтов основания и выбор их типа зависят от геологических и гидрологических условий строительной площадки, глубины котлована, времени года и других местных условий. Однако всегда следует помнить, что любые защитные мероприятия в большей или меньшей степени удорожают стои­ мость производства работ, а в ряде случаев и затрудняют их проведение. Поэтому устройство фундаментов важно выполнять по возможности быстрее, особенно в дождливый и зимний периоды года. Очевидно, что чем быстрее после отрывки котлована будет возведен фундамент и засыпаны пазухи, тем сохраннее будет при­ родная структура грунтов в основании и меньше затраты на осуше­ ние Или утепление котлована.

Особое внимание при отрывке котлованов уделяется обеспече­ нию устойчивости их стенок. Конструкции крепления стенок или откосов котлованов должны воспринимать все нагрузки от давле­ ния грунта и подземных вод и защищать его от их оползания или обрушения.

Кроме того, при разработке котлованов и траншей в непосредст­ венной близости и ниже уровня заложения примыкающих сооруже­ ний необходима разработка специальных мероприятий против осадки и деформации этих сооружений. К таким мероприятиям относятся забивка шпунтовой стенки, ограждающей основание су­ ществующего здания, или закрепление грунтов основания. При необходимости производится заглубление подошвы существующе­ го фундамента ниже дна проектируемого котлована путем подвод­ ки под него нового фундамента.

Инженер-строитель как во время подготовки, так и в процессе производства работ по отрывке котлована несет большую ответст­ венность, так как от выбора приемлемого решения зависит не только эффективность строительного процесса, но также безопас­ ность и эффективность производства работ в целом.

14.2. Основные размеры котлованов. Обеспечение устойчивости стенок котлованов

К основным размерам котлованов относятся размеры дна кот­ лована в плане, размеры котлована поверху и его глубина.

Размеры дна котлована в плане назначаются в соответствии с проектными размерами фундамента и с учетом способа производ­ ства работ, необходимого пространства для их выполнения, с уче­ том пространства для устройства креплений стенок котлована

369

и установки опалубки, а так­ же размещения при необхо­ димости установок для осу­ ществления водопонижения.

Размеры котлована повер­ ху складываются из размеров дна котлована и ширины от­ косов или конструкций креп­ ления его стенок.

Глубина котлована опре­ деляется в зависимости от глубины заложения фундаме­

нта и наличия дополнительных устройств (песчаной подушки, пла­ стового дренажа и т. п.).

В зависимости от свойств грунта, глубины выработки и наличия подземых вод стенки котлованов либо крепят, либо придают им естественный откос.

Котлованы с естественными откосами устраивают в сухихи мало­ влажных устойчивых грунтах. При глубине котлована до 5 м крутизну откоса можно не рассчитывать, а в зависимости от грунтовых условий назначать по табл. 14.1 (за крутизну откоса принимается отношение высоты откоса h к его заложению Ь, как показано на рис. 14.1).

При глубине котлованов более 5 м крутизна откосов принимает­ ся по расчету.

Котлованы с естественными откосами наиболее просты, однако при этом резко увеличивается объем земляных работ, особенно при глубоких котлованах небольшой ширины. Кроме того, отрывка котлованов с естественными откосами не всегда возможна из-за стесненности условий строительной площадки, например при близ­ ко расположенных зданиях и сооружениях.

По указанным причинам в строительной практике часто прибе­ гают к устройству котлованов с вертикальными откосами, которые,

370