Эффективные технологии возведения зданий и сооружений. Ч. 1

а

В В

Б Б А А

б

3 2

1.2. Предохранение грунтов оснований от водонасыщения

Учитывая, что одной из основных причин, приводящих к ухудшению прочностных и деформационных характеристик грунта, является его водонасыщение, в ППР разрабатываются мероприятия, направленные на исключение его увлажнения в течение всего периода производства работ нулевого цикла.

11

Основными технологическими решениями, позволяющими обеспечить природные структуру и свойства грунтов в основании фундаментов, являются защита котлована от попадания поверхностных вод (атмосферных осадков) и подземных вод.

Защита котлована от попадания поверхностных вод. Поверх-

ностные воды образуются из атмосферных осадков (ливневые и талые воды). Различают поверхностные воды «чужие», поступление которых в разработанный котлован происходит с повышенных соседних участков, и «свои», образующиеся непосредственно на строительной площадке.

Учитывая, что продолжительность между окончанием разработки грунта в котловане и завершением устройства фундамента, как правило, составляет более 24 часов, на период его разработки и устройства фундаментов обязательна защита котлована от поступления «чужих» поверхностных вод.

На практике эта требование решается устройством временной водоотводящей канавы (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Защита грунта в котловане от поступления атмосферных вод: 1 – бассейн стока воды; 2 – водоотводящая канава;

3 – котлован возводимого здания

Длина водоотводящей канавы определяется с учетом бассейна стока воды. Площадь поперечного сечения рассчитывается с учетом площади бассейна стока воды и максимального количества атмосферных осадков, которое может выпасть в период строительства.

12

Рекомендуется отрывать такие канавы механизированным способом с помощью тракторов «Беларус» с навесным оборудованием (ковш емкостью 0,15 м3). Для предотвращения быстрого заиливания продольный уклон водоотводных канав должен быть не менее 0,003.

«Свои» поверхностные воды отводят приданием соответствующего уклона при вертикальной планировке площадки и устройства сети открытого или закрытого водостока.

В случаях высокого уровня грунтовых вод (верховодки) строительную площадку осушают с помощью открытого или закрытого дренажа. Открытый дренаж устраивают обычно в виде канав глубиной до 1,5 м с пологими откосами и необходимыми для стока воды продольными уклонами. Отрывают такие канавы механизированным способом с помощью тракторов с навесным оборудованием (ковш емкостью 0,15 м3).

Закрытый дренаж выполняется в виде траншеи с уклонами не менее 0,005 в сторону сброса воды. Отвод вод осуществляется по керамическим трубам, перфорированным в боковых поверхностях, которые укладываются на дно траншеи ниже уровня промерзания грунта (рис. 1.3).

Защита котлованов от подземных вод. Согласно ТКП 45-5.01- 254-2012 при проектировании фундаментов зданий и сооружений необходимо учитывать гидрогеологические условия площадки и для предотвращения водонасыщения грунта под подошвой фундамента поддерживать уровень подземных вод на 0,5 м ниже отметки дна котлована.

Защита котлованов от подземных вод осуществляется, как правило, с помощью водопонижения. Способ защиты выбирают в зависимости от вида подземных вод, особенностей напластования и свойства грунтов, глубины, размеров и формы котлована в плане, особенностей и размеров строительной площадки.

Все работы должны быть организованы так, чтобы сохранить природные структуру и свойства грунтов основания возводимого объекта и не повредить грунты оснований рядом расположенных сооружений.

Водопонижение осуществляется с помощью открытого водо-

отлива или глубинного водопонижения и производится в течение всего времени устройства фундаментов в котловане и других подземных частей здания, расположенных ниже уровня подземных

13

вод, до тех пор, когда нагрузки от конструкции превысят возни-

кающее гидростатическое давление и обеспечат устойчивость подземных сооружений против всплывания.

Рис. 1.3. Схема закрытого дренажа для осушения территории (размеры в м): 1 – местный грунт; 2 – мелкозернистый песок; 3 – крупнозернистый песок; 4 – гравий; 5 – труба из пористого материала или перфорированная;

6 – уплотнительный слой

Водопонижение ведется постоянно или с перерывами, но при этом должно быть полностью исключено даже временное подтопление котлована.

Открытый водоотлив осуществляется прямо из котлована специальными насосами и применяется в неглубоких котлованах при подземных водах типа верховодки или отдельных линз, когда отсутствует постоянное их питание (рис. 1.4).

14

Для обеспечения устойчивости откосов фильтрующих траншей и дна котлована их следует пригружать слоем песчано-гравийного материала, толщина которого определена в проектной документации.

Открытый водоотлив является технологически простым способом предотвращения попадания грунтовых вод в выемки на период выполнения в них строительных работ. Однако грунтовые воды, фильтрующие через дно выемок, разжижают грунт и выносят из него на поверхность мелкие частицы. Явление такого вымывания и выноса мелких частиц называют суффозией грунта. В результате суффозии несущая способность грунта в основаниях может снизиться. Поэтому при возведении высотных зданий и сооружений рекомендуется, как правило, применять глубинное водопонижение, исключающее просачивание воды через дно котлованов.

Глубинное водопонижение. Для глубинного водопонижения подземных вод разработан ряд эффективных способов, основными из которыхявляютсяиглофильтровый, вакуумныйиэлектроосмотический.

Способы водопонижения назначают в зависимости от инженер- но-геологических условий строительной площадки (особенностей напластований и свойства грунтов), уровня подземных вод, особенностей и размеров объекта строительства, технических возможностей технологического оборудования строительной организации и экономической целесообразности.

Иглофильтровый способ понижения подземных вод рекомен-

дуется применять в песчаных и супесчаных водонасыщенных грунтах с коэффициентом фильтрации Kф от 0,1 до 20 м/сут. Иглофильтровые установки откачивают воду из вертикальных скважин. Скважины устраиваются по контуру осушаемой выемки и располагаются с шагом 1,5 – 2 м. Глубина погружения иглофильтров должна быть ниже проектной отметки дна выемки на 1–2 м. Одним из основных средств водопонижения на глубину до 4–5 м являются вакуумные легкие иглофильтровые установки (ЛИУ). Водопонижение на большую глубину обеспечивается многоярусным расположением установок ЛИУ или установками с эжекторными иглофильтрами.

Иглофильтровый способ искусственного понижения подземных вод реализуется с использованием иглофильтровых установок, состоящих из стальных труб с фильтрующим звеном в нижней части, водосборного коллектора и самовсасывающего вихревого насоса с электродвигателем (рис. 1.5, а). Фильтрующее звено состоит из

16

наружной перфорированной и внутренней глухой труб. Внутри наконечника наружной трубы установлен шаровой клапан, плотно прилегающий в торце внутренней трубы за счет вакуума, создаваемого насосом при отсасывании воды из иглофильтра.

Рис. 1.5. Схемы иглофильтровых установок:

а– с вакуумным; б – электроосмотическим водопонижением;

1– фильтровое звено; 2 – депрессионная кривая после понижения иглофильтром; 3 – центробежный насос; 4 – вакуум-насос; 5 – стальная труба (анод);

6 – иглофильтр (катод); 7 – депрессионная кривая после электроосушения

Иглофильтры погружают в грунт гидравлическим способом (подмывом) или в предварительно пробуренные скважины. В песчаные грунты иглофильтры можно погружать, используя отбойный молоток. В первом случае клапан открывается под напором воды, подаваемой в фильтровое звено от насоса, и погружение иглофильтра происходит под собственной тяжестью при интенсивном размыве грунта впереди фильтрового звена. Размытый грунт поднимается по затрубному пространству на поверхность. Заглубление иглофильтра в грунт зависит от требуемой величины понижения уровня подземных вод. Оно обеспечивается применением надфильтровых труб. Общая длина иглофильтровой установки, состоящей из фильтра и надфильтровых труб к ней, достигает 8,5 м. Наибольшее понижение уровня подземных вод одним ярусом иглофильтровой установки может быть достигнуто при ее длине около 5 м.

При большей глубине понижения применяют схему двухъярусной установки иглофильтров (рис. 1.6).

17

Рис. 1.6. Схема понижения уровня подземных вод при двухъярусном расположении иглофильтров:

1 – фильтровое звено; 2 – депрессионная кривая после понижения иглофильтром; 3 – кольцевой коллектор; 4 – соединительный патрубок (гофрированная труба)

Эффективность применения иглофильтровых установок в грунтах с коэффициентом фильтрации менее 0,05 м/сут можно повысить за счет применения электроосмотического способа понижения

подземных вод. Суть способа заключается в следующем.

На расстоянии 0,5–1 м от иглофильтра в сторону котлована в грунт погружают стальные трубы или стержни (рис. 1.5, б). Иглофильтры подключают к отрицательному (катод), а трубы или стержни – к положительному полюсу источника постоянного тока (анод). Электроды размещают друг относительно друга в шахматном порядке. Шаг, или расстояние анодов и катодов в своем ряду, одинаков – около 0,75–1,5 м. Аноды и катоды погружают на одну и ту же глубину. В качестве источника электропитания применяют сварочные агрегаты или передвижные преобразователи. Мощность генератора постоянного тока определяют, исходя из того, что на 1 м2 площади электроосмотической завесы необходима сила тока 0,5–1 А, напряжение 30–60 В.

Под действием электрического поля вода, содержащаяся в порах грунта, перемещается в сторону иглофильтров. За счет движения этой водыкоэффициентфильтрациигрунтаувеличиваетсяв5–25 раз.

Для понижения уровня грунтовых вод в мелкозернистых грунтах (пылеватые пески, супеси, илистые и лёссовые грунты) с коэффи-

18

циентом фильтрации 0,02–1 м/сут рекомендуется применять ваку-

умные водопонизительные установки с эжекторными иглофильт-

рами (рис. 1.7).

7

Рис. 1.7. Схема вакуумной установки:

а– вакуумная установка; б – схема действия эжекторного иглофильтра;

1– центробежный насос низкого давления; 2 – циркуляционный резервуар; 3 – сборный лоток; 4 – напорный насос; 5 – напорный рукав; 6 – эжекторный иглофильтр; 7 – напорная вода; 8 – сопло; 9 – всасывающая вода;

10 – обратный клапан; 11 – фильтровая сетка

При работе водопонизительных установок вакуум возникает в зоне эжекторного иглофильтра.

Фильтровое звено эжекторного иглофильтра устроено по принципу легкого иглофильтра. Надфильтровое звено установки состоит из наружной и внутренней труб с эжекторной насадкой. Для создания вакуума между внутренней и наружной трубами под давлением 750–800 кПа подают рабочую воду. Через эжекторную насадку она устремляется вверх по внутренней трубе; в результате резкого изменения скорости движения рабочей воды в насадке создается разрежение. Это обеспечивает забор грунтовой воды. Грунтовая вода смешивается с рабочей водой и направляется в циркуляционный бак. Из циркуляционного бака избыток воды (за счет поступления грунтовой) откачивается низконапорным насосом или сливается самотеком.

19

Наиболее эффективны водопонизительные установки с эжекторными иглофильтрами марки ЭИ-2,5//, ЭИ-4// и ЭИ-6// Они позволяют создать понижение уровня грунтовых вод на глубине 18 м и более в рыхлых слабопроницаемых грунтах с коэффициентом фильтрации

0,01–10 м/сут.

1.3. Искусственное закрепление грунтов

Сегодня, как правило, под новое строительство отводятся участки, которые ранее не застраивались из-за того, что основанием под фундаменты являются слабые сильносжимаемые и малопрочные грунты. Для улучшения их эксплуатационных характеристик рекомендуется применять искусственное закрепление грунтов. Наиболее эффективными являются физический и химический методы искусственное закрепление грунтов.

Физический метод включает:

термическое закрепление грунта; цементацию грунта.

Термическое закрепление применяют для лессовых грунтов. Оно реализуется в результате обжига раскаленными газами, нагнетаемыми через скважину в поры грунта. Газы образуются при сжигании жидкого или газообразного топлива, подаваемого в толщу грунта вместе с воздухом через жаропрочные трубы в заранее пробуренную скважину. Расход сжатого воздуха и топлива в процессе обжига должен регулироваться в пределах, обеспечивающих максимальную температуру газов, не вызывающих оплавление грунтов в стенках скважин. Образование массива следует считать законченным, если установленные в расчетном контуре термопары зафиксировали достижение заданной расчетной температуры, но не менее 350 С. Бурение скважин для обжига грунтов следует производить в режиме, исключающем уплотнение грунтов в стенках скважин от бурового инструмента.

Электрическим способом закрепляют влажные глинистые грунты: используется эффект электроосмоса, для чего через грунт пропускают постоянный электрический ток с напряженностью поля 0,5–1 В/см и плотностью 1–5 А/м. При этом глина осушается, сильно уплотняется и теряет способность к пучению.

20