книги / Механика грунтов, основания и фундаменты

как правило, требуют крепления боковых стенок. Устройство кот­ лованов и траншей с вертикальными стенками без креплений до­ пускается только в маловлажных грунтах природного сложения, если они оставляются открытыми на непродолжительный срок. Глубина таких котлованов не должна превышать величин, указан­ ных в табл. 14.2.

Таблица 14.2. Нанбйяккзз глубина выемок с вертикальными стенками

При большей глубине котлованов, а также при наличии подзем­ ных вод их стенки выполняются с различными креплениями. Конст­ рукции креплений котлованов выбирают в зависимости от их глуби­ ны, свойств грунтов, уровня подземных вод и сроков эксплуатация конструкции.

Всухих и маловлажных грунтах при глубине котлована до 2...4

миспользуют закладное крепление (рис. 14.2, а, б), которое состоит из стоек, распорок и горизонтальных досок (забирки). Доски заво-

Рис. 14.2. Крепление вертикальных стенок выемок:

а, б — закладное; в — анкерное; г — подкосное; 1 — стойка; 2 — доски; 3 — рас- порка; 4 —свайка; 5 — стяжка; 6 — подкос

371

дат за стойки снизу по мере углубления котлована или траншеи, а стойки постепенно заменяют на более длинные, тщательно рас­ крепляя их распорками. Стойки устанавливают по длине выемки на расстоянии 1,5...2 м одна от другой, распорки — через 0,6...0,7 м по высоте. Иногда вместо деревянных применяют инвентарные те­ лескопические распорки из металла.

Более удобное и простое закладное крепление, не требующее замены стоек по мере заглубления выемки, состоит из предварите­ льно забитых в грунт двутавровых стальных балок, за полки кото­ рых постепенно закладываются доски (рис. 14.2, б).

В тех случаях, когда исключается возможность установки рас­ порок (при разработке котлованов шириной более 4 м, а также если распорки мешают возведению фундаментов), применяют анкерные и подкосные крепления.

Для устройства анкерных креплений (рис. 14.2, в) вдоль стенки котлована забивают наклонные свайки, которые соединяют анкерны­ ми тягами из'проволоки или двух досок со стойками крепления. В подкосном креплении (рис. 14.2, г) стенки удерживаются подкосами, передающими сдвигающее усилие на упор, забиваемый у их основания.

Для глубоких котлованов с вертикальными стенками, а также при наличии подземных вод, имеющих уровень выше дна кот­ лована, применяют шпунтовые ограждения, поскольку они не толь­ ко обеспечивают устойчивость стенок котлована, но и защищают его от затопления водой со стороны стенок. Шпунтовые ограждения состоят из отдельных элементов (шпунтин), которые погружаются в грунт еще до разработки котлована и образуют прочную водонеп­ роницаемую стену. Шпунтовые стенки могут быть деревянными, стальными и железобетонными.

Деревянные шпунтовые ограждения (дощатые и брусчатые) при­ меняют для крепления неглубоких котлованов (3...5 м). Дощатый шпунт изготовляют из досок толщиной до 8 см, брусчатый — из брусьев'толщиной от 10 до 24 см (рис. 14.3). Длина шпунтин определяется глубиной их погружения, но, как правило, не превы­ шает 8 м, поскольку более длинный лес дорогой и дефицитный.

Для плотного смыкания шпунтин, обеспечивающего водонеп­

372

рытного или Z-образного профиля дли­

ной от 8 до 22 м (рис. 14.4). При необходимости шпунтины можно наращивать, доводя их длину до 35...40 м. Для этого стыки между шпунтинами перекрывают накладками на сварке или заклепках. Связь между шпунтинами по вертикали осуществляется при помо­ щи замков сложной формы. Конструкция замков обеспечивает плотное и прочное соединение шпунтин между собой. Небольшие зазоры, имеющиеся в замках, быстро заиливаются, и металлическая шпунтовая стенка становится практически водонепроницаемой.

Погружается металлический шпунт паровоздушными или . ди­ зельными молотами и вибропогружателями. После окончания зем­ ляных работ металлический шпунт извлекается из грунта для даль­ нейшего использования.

Железобетонный шпунт часто применяют при постройке набе­ режных, причалов и в других случаях, когда он может исполь­ зоваться в качестве несущего элемента фундамента.

Наряду со шпунтовым ограждением крепление стен глубоких котлованов может быть решено в виде сплошного ряда из железобе­ тонных забивных или буронабивных свай. В связных грунтах и при отсутствии подземных вод более экономично располагать сваи с некоторым расстоянием между ними (разреженный ряд свай). Такой способ крепления вертикальных стен котлованов, методика расчета которого разработана на кафедре механики грунтов, осно­ ваний и фундаментов МИСИ, успешно применен при строительстве ряда объектов Карагандинского металлургического комбината*.

*3наменский В . В ., Л еонов Ю . С ., А дигам ов Г . Ш . Опыт устройства заглубленных

помещений в стесненных условиях строительства.— ЦБНТИ Минмонтажспецстроя

СССР. Сер. Специальные строительные работы. Мч 1986. Выл. 7.

373

гибающие моменты от давления грунта, поэтому должны иметь достаточно мощное поперечное сечение. Для устройства консоль­ ных стенок используется, как правило, стальной шпунт корыгаого профиля. Распорные крепления применяют при ширине котлована до 15 м. В зависимости от глубины котлована они могут быть с одним ярусом распорок, с. двумя и т. д. Распорки устанавливают по мере углубления котлована, расстояние между распорками по 1высоте определяется расчетом, но исходя из удобства разработки грунта должно быть не менее 1...1,5 м.

При более широких котлованах или когда крепления распорного типа мешают производству работ, применяют анкерное крепление. Анкерные крепления представляют собой анкерные тяги, пере­ дающие усилия от шпунта на анкерные сваи, забитые за пределами котлована, или на заглубленные за пределами возможной призмы обрушения анкерные устройства.

Применение креплений распорного и анкерного типа увеличива­ ет устойчивость шпунтовой стенки, уменьшает возникающие изги­ бающие моменты и ее горизонтальные смещения, что позволяет делать стенки более легкими.

Расчет шпунтовых ограждений. Шпунтовые стенки рассчитыва­ ются по первой группе предельных состояний. Если необходимо, проверяют также и общую устойчивость стенки, т. е. ее устой­ чивость вместе с массивом грунта на сдвиг вдоль поверхности (обычно круглоцилиндрической), расположенной вне пределов си­ стемы «шпунт — анкерное устройство».

374

а— действующие силы; б— фактическая эпюра давления грунта; в— эпюра давления ■

грунта, принятая в расчете;/ — активное давление; 2 — пассивное давление; 3 — пре­ дельное активное давление; 4 — предельное пассивноедавление

Большинство применяемых на практике методов расчета шпун-, товых стенок базируются на классической теории предельного рав­ новесия грунтов (см. гл. 6), их принято называть классическими методами. Классические методы были разработаны для определе­ ния размеров безанкерных стенок или же заанкеренных, но име­ ющих некоторое горизонтальное перемещение в точке анкеровки. Примененные для расчета сооружений такого типа, они дают в бо­ льшинстве случаев удовлетворительные результаты с точки зрения обеспечения безопасности, но иногда завышенные, что касается изгибающих моментов. При расчете шпунтовых стенок, не име­ ющих подвижки в точке анкеровки, эти методы могут серьезно недооценивать усилия в анкерах, что необходимо учитывать при проектировании, вводя в расчет анкеров повышенный коэффициент запаса. .

Безанкерны е ш пунтовы е стенки. Задача расчета безанкерной шпунтовой стеши состоит в определении глубины ее забивки, усилий, действующих в стенке, и размеров поперечного сечения шпунта.

При расчете безанкерных шпунтовых стенок принимается, что под действием активного давления грунта стенка со свободным верхним концом поворачивается относительно неподвижной точки О, расположенной на некоторой глубине t0 ниже дна котлована (рис. 14.6, а). Выше точки О с наружной стороны стенки действует пассивное давление грунта, а с внутренней — активное, ниже точки ,(О — наоборот. Устойчивость стенки обеспечивается вследствие уравновешенного активного и пассивного давлений грунта с разных ее сторон.

Поскольку для развития максимального активного давления достаточно очень небольшого перемещения стенки, оно, как прави­ ло, равно предельному, за исключением небольшого участка, рас­

375

положенного в непосредственной близости от точки вращения. Сте­ пень развития пассивного давления с одной и с другой стороны стенки зависит от величины ее перемещения в значительно большей мере. В результате получается достаточно сложная криволинейная эпюра давлений грунта на стенку (рис. 14.6, б).

С целью упрощения расчёта эта эпюра заменяется на более простую, построенную при следующих допущениях:

давление, действующее на стенку выше точки поворота О, являет­ ся предельным активным давлением со стороны насыпи и предель­ ным пассивным давлением со стороны выемки;

давление грунта на стенку ниже точки О заменяется сосре­

Задача становится статически определимой с двумя неизвест­ ными tQи Е'р, которые находятся из уравнений равновесия. Равнове­ сие моментов относительно точки О приводит к уравнению третьей степени относительно t0; t0, будучи определена, позволяет найти Е'р из уравнения равновесия горизонтальных сил.

Поскольку /0 определена из условия предельного равновесия, полная глубина забивки стенки t, обеспечивающая запас ее устой­

где At — длина участка стенки, необходимая для реализации обрат­ ного отпора грунта Ёр, определяемая по формуле

где qt(s— вертикальное давление грунта на глубине приложения

силы Ёр, Хря Ха— коэффициенты пассивного и активного давления грунта, соответственно равные Хр=tg2 (45°+(р/2); Ха=tg2 (45° —q>/2) (см. § 6.5).

На практике чаще всего составляется только одно уравнение моментов, не содержащее Ёр, и определяется /0, а полная заделка шпунтовой стенки в грунт принимается равной /=1,1/0.

Дальнейший расчет состоит в определении усилий, действующих в стенке, иподборе ее сечения.

Отметим, что при расчете безанкерных шпунтовых стенок актив­ ное и пассивное давления грунтов определяются без учета сил трения, возникающих между стенкой и грунтом. В настоящее время это считается общепринятым и обеспечивает необходимый запас устойчивости стенки.

Зданкеренные ш пунтовые стенки. Задача расчета состоит в определении необходимой глубины заложения стенки ниже дна котлована, усилий, действующих в стенке и анкерах, а также раз­ меров поперечного сечения стенки и анкеров.

В зависимости от жесткости стенки и условий ее заделки исполь-

376

зуются две расчетные схемы, приведенные ниже. Критери­ ем, по которому оценивается жесткость стенки, является от­ ношение dm/t. Здесь dm— при­

веденная высота сечения стен­ ки:

кость и ее следует рассчитывать по схеме «свободного опирания». Как правило, это стенки из железобетонного шпунта, буронабивных свай, свай-оболочек и т. п. Стенки из металлического шпунта обыч­ но рассчитывают по схеме «заделанной стенки».

Свободно опертая стенка. Расчет шпунтовой стенки по схеме свободного опирания (схема Э. К. Якоби) исходит из предположе­ ния, что в момент потери устойчивости стенка под действием сил активного давления грунта Д, со стороны, противоположной котло­ вану, будет поворачиваться вокруг точки крепления анкера (рис. 14.7, а). При этом смещение заделанной части стенки в сторону котлована приведет к выпору грунта и возникновению соответствующего реак­ тивного (пассивного) давления Ер. Упрощенная расчетная схема, соответствующая вышеизложенному, показана на рис. 14.7, б.

Приняв точку крепления анкера О неподвижной, длину заделки /0, обеспечивающую статическое равновесие стенки, и усилие в ан­ кере R определяют из уравнений равновесия

Пассивное давление грунта Ер определяют с учетом сил трения между стенкой и грунтом по формулам § 6.5. За расчетное значение заделки принимают 1=(1,15...1Д)/0.

Заделанная стенка (схема Блюма — Ломейера) . Расчет заанкеренного шпунта методом Блюма — Ломейера, называемым такжё методом упругой линии, ведется в предположении, что нижний участок забитой части стенки полностью защемлен в грунте. Диа­ грамма усилий, действующих на стенку, строится на основании упрощающих допущений, аналогичных принятым для расчета безанкерных стенок:

пассивное давление со стороны насыпи заменяется сосредоточен­ ной силой Ёр, приложенной в точке О,-

377

точка О расположена на расстоянии ОД/0 от нижнего конца стенки (рис . 14.8);

ыдущем случае, только из уравнений равновесия, поэтому нужно найти какое-то добавочное условие. Таким добавочным условием при расчете по методу упругой пинии является равенства нулю угла поворота защемленного участка, что означает вертикальность касательной к упругой линии стенки в точке б).

Расчет производится методом последовательных приближений. Сначала принимается какое-то значение t и определяется положение точки О. Из уравнений равновесия находят R VL Ёр строят эпюру изгибающих моментов выше точки О и путем двойного интег­ рирования — упругую линию стенки (две постоянные интегрирова­ ния определяются из условия, что точка анкеровки и точка О явля­ ются неподвижными, перемещения в этих точках , равны нулю). Затем рассчитывают поворот в точке О, который с первой попытки, как правило, не получается равным нулю. Расчет повторяют с дру­ гим значением t, и так до тех пор, пока не получат вертикальную касательную. Дальнейший расчет заключается в построении эторы изгибающих моментов и определении по которому проверя­ ют и при необходимости изменяют сечение шпунта.

Рассмотренные аналитические методы расчета шпунтовых сте­ нок требуют большого объема вычислений, особенно в случае неоднородных оснований, когда эпюра давления грунта приобрета­ ет сложное очертание. Сократить объем вычислений можно прибег­ нув к графоаналитическому методу расчета, подробно изложенному в гл. 20 Справочника проектировщика.

ДЛя расчета шпунтовых стенок используется также метод мест­ ных упругих деформаций, называемый методом коэффициента по­ стели, основные положения которого приведены в § 5.2. Будучи

.методом, базирующимся на наиболее простой гипотезе, касающей­ ся поведения грунта под нагрузкой, он нашел широкое применение для расчета гибких незаанкеренных консольных подпорных и шпун­ товых стенок. Недостатком Этого метода является неопредёлен-

378

ность при назначении основной расчетной характеристики мето­ да — коэффициента постели грунта.

Современные расчетные средства позволяют не только опреде­ лить параметры шпунтовой стенки, обеспечивающие ее статическое равновесие при полностью отрытом котловане, но и провести ана­ лиз напряженно-деформированного состояния стенки по мере ее отрывки. Производится такой анализ методом конечных элемен­ тов*, основы которого изложены в гл. 8.

14.3. Защита котлованов от подтопления

Защита котлованов от подтопления подземными водами осуще­ ствляется с помощью водопонижения, устройства противофильтрационных завес или комбинации этих методов. Водопонижение осуществляется с помощью открытого водоотлива илиглубинного водопонижения. Для устройства противофильтрационных завес прибегают к естественному или искусственному замораживанию или битумизации грунта вокруг котлована. Противофильтрационной завесой может служить и шпунт, забитый до водоупора.

Способы защиты выбирают в зависимости от вида подземных вод, особенностей напластований и свойств грунтов, глубины, раз­ меров и формы котлована в плане и других факторов. Все применя­ емые способы защиты котлованов от подземных вод должны ис­ ключать нарушение природных свойств грунтов в основании воз­ водимого сооружения, обеспечивать устойчивость откосов выработ­ ки и сохранность расположенных вблизи сооружений.

Открытый водоотлив и глубинное водопонижение. Наиболее про­ стым способом является открытый водоотлив, при котором воду откачивают насосами непосредственно из котлована. Для организа­ ции открытого водоотлива на дне котлована устраивают систему водосборных канавок глубиной 0,3...0,6 м, по которым воду отводят в приямки (зумпфы) глубиной 0,5...0,7 м, откуда она систематически откачивается насосом. Мощность насоса принимается в зависимо­ сти от ожидаемого фильтрационного притока воды, который, в свою очередь, зависит от градиента напора воды и фильтрацион­ ных свойств грунтов и наиболее точно устанавливается пробной откачкой при гидрогеологических изысканиях. Приблизительно фильтрационный приток воды на 1 м2 дна котлована (м3/ч) можно принимать следующим:

*Лазарева И. В. Расчет методом конечных элементов гибкой стенки, погружен­ ной в грувгг//Основания, фундаменты и механика гшнтов. 1976. № 2.

379

При откачке надо следить, чтобы зумпфы не переполнялись и вода не покрывала дна котлована, так как это может привести

кухудшению свойств грунтов в основании.

Впринципе применение открытого водоотлива не имеет ограни­ чений в зависимости от видов грунта и их фильтрационных свойств,

но в мелкозернистых грунтах его применение может привести к оп­ лыванию откосов котлована и разрыхлению грунта основания. Чтобы избежать этих нежелательных последствий открытой откач­ ки воды, откосы котлованов приходится пригружать песчано-гра­ вийной смесью, а канавки выкладывать щебнем или гравием, что значительно усложняет и удорожает строительство. Поэтому на практике открытый водоотлив применяют при вскрытии котлова­ нов только в скальных, обломочных и гравийно-галечных грунтах, а в случае мелкозернистых грунтов — глубинный водоотлив, кото­ рый исключает просачивание подземных вод через откосы и дно котлована.

Глубинный водоотлив заключается в искусственном понижении уровня подземных вод в районе котлована. Водопонижающие рабо­ ты выполняются чаще всего с помощью иглофильтров. В тех случа­ ях, когда погружение иглофильтров невозможно или приток воды велик, например если вблизи имеется водоем, водопонижение осу­ ществляется откачкой воды из трубчатых колодцев, оборудованных

38..50 мм, собранную из отдельных звеньев. Нижнее звено на конце оборудовано специальным фильтрующим устройством, через кото­ рое производятся всасывание и откачка воды. Фильтрующее устройство не пропускает даже мельчайшие частицы грунта, что обеспечивает водопонижение без нарушения структуры грунтов в районе котлована. Так как при глубинном водопонижении вода откачивается из зоны, расположенной ниже дна котлована, то воз­ никающее при движении воды гидродинамическое давление способ­ ствует уплотнению грунтов, а следовательно, улучшению их стро­ ительных свойств.

Для осуществления водопонижения иглофильтры располагают по периметру будущего котлована, погружая их на 3...7 м ниже его дна. В результате откачки уровень воды вокруг иглофильтров пони­ жается, образуя депрессионную воронку. При расположении иг­ лофильтров с шагом 0,75...1,5 м депрессионные воронки соединяют­ ся и уровень подземных вод становится ниже дна котлована, как это показано на рис. 14.9, а, в результате чего земляные работы и устройство фундаментов ведутся насухо.

Иглофильтры погружают в грунт под действием собственного веса благодаря интенсивному подмыву водой или в специально пробуренные скважины.

Отдельные иглофильтры водопонижающей установки соединя­ ют с коллектором из труб диаметром 100...200 мм гибкими шлан-

380