ладающим большой прочностью и же |
|
сткостью. Металлический шпунт пред |
|
ставляет собой прокатную конструк |
|
цию плоского, корытного или Z-образ- |
|
ного профиля длиной 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 осуществля |
|
ется при помощи замков сложной |
|
формы. Конструкция замков обеспечи |
|
вает плотное и прочное соединение |
Рве. 14.4. Профили прокатно |
шпунтин между собой. Небольшие за |
го стального шпунта: |
зоры, имеющиеся з замках, быстро за |
а— плоский; б— горытный; в — |
иливаются, и металлическая шпунто |
Z-обраэный |
вая стенка становится практически во |
|
донепроницаемой. |
|
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 глубокихкотлованов может быть решено в виде сплошного ряда из же лезобетонных 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 гру нтов, оснований и фундаментов МГСУ, успешно применен при строительстве ряда объектов Карагандинского металлургического комбината*.
В зависимости от размеров котлована и грунтовых условий шпунтовые стенки устраивают без креплений (консольные шпун товые стенки), с распорным или анкерным креплением (рис. 14.5).
Консольные стенки применяют при относительно неглубоких котлованах (до 5 м). Устойчивость такой стенки обеспечивается погружением шпунтин ниже дна котлована на необходимую
*3тменский В. В., Леонов Ю. С., Адигамов Г. Ш. Опыт устройства заглублен ных помещений в стесненных условиях строительства.— ЦБНТИ Минмонтажспецстроя СССР. Сер. Специальные строительные работы. М., 1986. Вып. 7.-
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
*) |
|
A |
\ |
глубину. Достоинством кон |
|
|
сольных стенок является от |
wi //f |
ТЖ Я |
,3 .7 |
у |
|
4 i—L—* \ |
сутствие конструкций, загро |
i |
|
i |
.3.7 |
|
мождающих котлован, |
что |
i |
|
'*L-L- |
f |
облегчает проведение земля |
\ ТЖ 1 ^ |
|
|
ных и других видов работ. |
л гжжа * |
|
|
|
|
|
Однако, |
работая как |
кон |
|
|
|
|
|
соль, |
такие стенки |
испыты |
Ь) |
|
|
|
|
вают |
значительные |
изгиба |
|
V0/АРAt |
АУ |
ющие моменты от давления |
У//SVУГМУ |
лг /4 |
грунта, |
поэтому |
должны |
Т |
t А |
; |
1 |
|
иметь |
достаточно |
мощное |
1 |
4 |
* |
1 |
|
поперечное |
сечение. |
Для |
|
4 |
|
|
|
устройства консольных сте |
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
нок используется, как прави |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ло, стальной шпунт корьгг- |
Рис. 14.S. Схемы шпунтовых ограждений: |
ного |
профиля. |
Распорные |
а — консольное; 6 — с распорным креплением; |
крепления |
применяют |
при |
в — с анкерным креплением; 1 — л |
|
ширине котлована до |
15 м. |
стенка; 2—распорка; 3 —обвкзка; 4— |
|
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 высоте 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 возволяет делать стенки более легкими.
Расчет шпунтовых ограждении. 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».
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.
Безанкерные ш пунтовы е стенки. Задача расчета безанкерной шпунтовой стенки 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 tQниже 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 исключенной небольшого участка, рас 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).
Рис. 14.6. Работа безанкерной шпунтовой стенки:
а— действующие сапы; б — фактическая эшора давления грунта; в — эшора давлениягрунта,
принятая в расчете; 1 — активное давление; 2 — пассивное давление; 3 — предельное активное давление; 4 — предельное пассивное давление
С целью упрощения расчета эта эпюра заменяется на более простую, построенную при следующих допущениях:
давление, действующее на стенку выше точки поворота О, явля ется предельным активным давлением со стороны насыпи и пре дельным пассивным давлением со стороны выемки;
давление грунта на стенку ниже точки О заменяется сосре доточенной силой Е'р, приложенной к точке О, как показано на
рис. 14.6, в.
Задача становится статически определимой с двумя неизвест ными t0и Ер, которые находятся из уравнений равновесия. Равнове сие моментов относительно точки О приводит к уравнению третьей степени относительно t0; to, будучи определена, позволяет найти Ер из уравнения равновесия горизонтальных сил.
Поскольку t0 определена из условия предельного равновесия, полная глубина забивки стенки t, обеспечивающая запас ее устой чивости, определяется как
где At — длина участка стенки, необходимая для реализации обрат ного отпора грунта Е'р, определяемая по формуле
At=E^[2qlo(Xp-X a)], |
(14.2) |
где q,o— вертикальное давление грунта на глубине приложения силы Ер, Хр и Ха— коэффициенты пассивного и активного давления грунта, соответственно равные 2.=tg2(45°+<p/2); 2a=tg2(45°-<p/2) (см. § 6.5).
На практике чаще всего составляется только одно уравнение моментов, не содержащее Е'р, и определяется t0, а полная заделка шпунтовой стенки в грунт принимается равной t= 1,1/0.
Дальнейший расчет состоит в определении усилий, действующих в стенке, и подборе ее сечения.
Отметим, что при расчете безанкерных шпунтовых стенок актив ное и пассивное давление грунтов определяются без учета сил трения, возникающих между стенкой и грунтом. В настоящее время это считается общепринятым и обеспечивает необходимый запас устойчивости стенки.
Заанкеренные шпунтовые 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 зуются две расчетные схемы, приведенные ниже. Критерием, по которому оценивается жесткость стенки, является отношение dmjt. Здесь day — приведенная высота сечения стенки:
415
а— схемаработыстенки; б—расчетная схема
Рис. 14.7. Расчет заанкеренной стенки по схеме Э. К. Якоби:
Пассивное давление грунта Ер определяют с учетом сил трения между стенкой и грунтом по формулам § 6.5. За расчетное значение заделки принимают /=(1,15..лД)/0.
Заделанная стенка (схема Блюма — Ломейера) . Расчет заанкеренного шпунта методом Блюма — Ломейера, называемым также методом упругой линии, ве дется в предположении, что нижний участок забитой ча сти стенки полностью защем лен в грунте. Диаграмма уси лий, действующих на стенку, строится на основании упро щающих допущений, анало гичных принятым для расчета безанкерных стенок:
пассивное давление со сто роны насыпи заменяется со средоточенной силой Е'р, при ложенной в точке 0\
где I — момент инерции сечения, м4; D — ширина шпунтины, м; t — глубина заложения стенки, м.
При dmjt ^0,06 считается, что стенка имеет повышенную жест 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 сип активного давления грунта Еа со стороны, противоположной кот ловану, 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 соответст вующего реактивного (пассивного) давления Ер. Упрощенная рас четная схема, соответствующая вышеизложенному, показана на рис. 14.7, б.
Приняв точку крепления анкера О неподвижной, длину заделки t0t обеспечивающую статическое равновесие стенки, ,и усилие в ан
кере R определяют из уравнений равновесия |
|
ЕМ (0)=0; Ер(L + 2/0/3)—2Еа(L+ /0)/3=0; |
|
2,Х= 0; Ep+ R - E a= 0. |
(14.4) |
416
а — схема работы стенав; 6 — расчетная схема
Рве. 14.8. Расчет заанкеренной стенки по схеме Блюма — Ломейера:
точка О расположена на расстоянии ОД/0 °т нижнего конца стенки (рис. 14.8);
давление, действующее на стенку выше точки О, является пре дельным активным давлением со стороны насыпи и предельным пассивным давлением со стороны выемки.
Таким образом, проблема содержит три неизвестные: t, R (уси лие в анкере) и Е’г; в связи с этим решение не может быть найдено, как это было сделано в предыдущем случае, только из уравнений равновесия, поэтому нужно найти какое-то добавочное условие. Таким добавочным условием при расчете по методу упругой линии является равенство нулю угла поворота защемленного участка, что означает вертикальность касательной к упругой линии стенки в точ ке О.
Расчет производится методом последовательных приближений. Сначала принимается какое-то значение t и определяется положение точки О. Из уравнений равновесия находят R и Е'р> 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 эпюры изгибающих моментов и определении Мт„. по которому проверяют 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 Спра
вочника проектировщика. Для расчета шпунтовых
стенок используется также метод местных упругих де формаций, называемый ме тодом коэффициента посте ли, основные положения ко торого приведены в § 5.2. Будучи методом, базирую щимся на наиболее простой гипотезе, касающейся пове дения грунта под нагрузкой,
он нашел широкое применение для расчета гибких незаанкеренных консольных подпорных и шпунтовых стенок. Недостат ком этого метода является неопределенность при назначении основ ной расчетной характеристики метода — коэффициента постели грунта.
Современные расчетные средства позволяют не только опреде лить параметры шпунтовой стенки, обеспечивающие ее статическое равновесие при полностью отрытом котловане, но й 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 или глубинного водопоыижения. 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 а грунт //Основания, фундаменты н механика грунтов. 1976. № 2.
для мелких песков ....................... |
0,05... |
0,16 |
» среднезерннстых песков ......... |
0,10... |
0,24 |
» крупнозернистых песков ........ |
0,30... |
3,0 |
» трещиноватой скалы ............... |
0,14... |
0,25 |
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. Водоцонижающие 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 глубинными насосами.
Иглофильтр представляет собой стальную трубу диаметром 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 игло фильтров с шагом 0,75...1,5 м депрессионные воронки соединяются 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.
Рис. 14.9. Схемы глубинного водопонижения:
а — одноярусное расположение иглофильтров; б — то же, многоярусное; 1— насосная станция; 2 — гибкие шланги; 3 — коллектор; 4 — иглофильтры; 5 — депрессионнвя воронка
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 гами. Коллектор, в свою очередь, соединяется с одной или несколь кими насосными установками.
В зависимости от фильтрационных свойств грунтов и необходи мой глубины водопонижения применяют различные типы иглофи льтровых установок.
Легкие иглофильтровые установки (ЛИУ) служат для понижения уровня подземных вод на глубину 4—5 м в песчаных отложениях. При необходимости понижения подземных вод на большую глуби ну иглофильтры располагают в несколько ярусов (рис. 14.9, б) или применяют специальные эжекторные иглофильтры (водоструйные насосы, создающие большое разрежение около фильтрующего эле мента, что способствует увеличению всасывания), позволяющие при их однорядном расположении понизить уровень подземных вод на глубину до 25 м.
ЛИУ отличаются мобильностью, возможностью быстрого по гружения иглофильтров в грунт в собранном виде, простотой
и надежностью эксплуатации. Их применение наиболее эффективно
вкрупных, средних и мелких песках. Эжекторные иглофильтры, как более мощные, применяют в пылеватых песках и супесях с коэф фициентом фильтрации более 0,1 м/сут.
При осуществлении водопонижения в грунтах, имеющих коэф фициент фильтрации меньше 0,1 м/сут, используют специальные методы водопонижения — вакуум ирование и электроосушение.
При применении вакуумного метода в скважинах и на наружной
поверхности фильтров создается и непрерывно поддерживается ва куум. Этот метод, требующий повышенных затрат электроэнергии, используют при осушении мелкозернистых грунтов (пылеватые и илистые пески, супеси, легкие суглинки, илы, лессы) с коэффициен том фильтрации не ниже 0,01 м/сут при требуемом понижении уровня подземных вод до 20 м. Вакуумные скважины отличаются от открытых водопонизительных скважин тем, что их устья герметизи руются и из них откачиваются вода и воздух.
Электроосушение (электроосмотическое водопонижение) приме няют в глинистых грунтах с низкой водоотдачей. Способ электро осушения основан на свойстве передвижения воды в глинистых грунтах под действием постоянного тока (электроосмос). Для элек троосушения по периметру котлована вдоль его бровки забивают стальные стержни из арматуры или труб. Затем на расстоянии 1,5...2 м от бровки котлована погружают иглофильтры, располагая их в шахматном порядке относительно стержней (рис. 14.10). Стержни подключают к положительному полюсу источника постоянного тока с напряжением 30...60 В, а иглофильтры (через коллектор) — к отрицательному. Под воздействием пропускаемого тока, перемеща ясь от анода к катоду, грунтовая вода поступает в иглофильтр и откачивается всасывающим насосом. Практика показала, что на 1 м3 осушенного грунта расходуется от 5 до 40 кВт • ч электро энергии.
Применение электроосушения требует соблюдения соответству ющих правил техники безопасности.
Замораживание, битумизация. При защите котлованов от подтоп ления методом замораживания используется свойство влажных грунтов переходить в твердое состояние при замерзании. Заморажи вание может быть естественным и искусственным.
При естественном замораживании котлован вскрывают до уров ня подземных вод в период до наступления морозов. С наступлени ем холодов грунту дают возможность промерзнуть на глубину
20...30 см, после чего снимают верхний слой, оставляя нетронутыми
10...15 см мерзлого грунта. По мере промерзания грунта эту опера цию повторяют до тех пор, пока не будет достигнута проектная отметка котлована. Поскольку при этом промерзают и откосы котлована, то в результате он оказывается защищенным со всех сторон слоем мерзлого грунта. Очевидно, что такой способ осуще-
