Практикум по курсу «Специальные подземные сооружения»

мещения стенки, поэтому при определении давление грунта необходимо учитывать характер и величину перемещения ограждающих стен во взаимодействии с вмещающим грунтовым массивом.

Горизонтальная нагрузка Робщ. на ограждающие конструкции складывается из бокового основного давления грунта, активного или покоя, Росн.одного из дополнительных боковых давлений грунта Рдоп. вызываемых нагрузками на поверхности, креном, навалом, наклоном пластов или другими причинами, и в обводненном массиве – гидростатическим давлением Ргид.:

Робщ.= Росн.+Σ Рдоп.+ Ргид.

Таким образом, если в процессе производства работ окружающий грунтовый массив сохраняет естественную структуру, то боковое (горизонтальное) давление грунта (Рг) на стены сооружения в состоянии покоя и при горизонтальной поверхности грунта его называют основным:

Р′г = k0 γ0 Н,

где k0 – коэффициент бокового давления грунта в состоянии покоя: для крупнообломочных грунтов – 0,3; для песков и супесей – 0,4; для суглинков – 0,5; для глин – 0,7; γ0 – нормативное значение удельного веса грунта в природном состоянии, кН/м3 (т/м3);

Н– расстояние от поверхности грунта до рассматриваемой точки, м; Нормативное значение дополнительного бокового давления

грунта на стены сооружения, вызываемое наклоном пластов грунта Р״г= α1 Р′г.

Нормативное значение гидростатического давления грунта на стены

(боковое) и днище (вертикальное) определяется по формуле:

Ргид. = γв Н,

где Н – расстояние от уровня грунтовых вод до рассматриваемой точки в грунтах.

2.2 Силы, действующие на подпорные стенки

Основная нагрузка, действующая на подпорную стенку - это давление грунта, которое определяется по методу Кулона.

11

По методу Кулона принимается следующая эпюра распределения усилий по высоте подпорной стенки:

1.при однородном грунте засыпки и плоской поверхности грунта эпюра давлений грунта имеет линейную зависимость;

2.при отсутствии пригрузки поверхности засыпки, эпюра давления грунта имеет треугольное очертание;

3.при наличии равномерно распределенной пригрузки по поверхности засыпки эпюра давления имеет форму трапеции;

4.при изменении плотности грунта (ρск.) по глубине эпюра давления имеет переломы на границе изменения этой плотности;

5.при различных значениях углов внутреннего трения ( двух

слоев грунта на границе контакта имеем горизонтальный скачок эпюры давления;

6.при ломаном очертании внутренней грани подпорной стенки сохраняется линейная зависимость изменения интенсивности давления для каждого участка;

7.давление грунта и воды учитывается раздельно; при этом грунт ниже уровня воды находится во взвешенном состоянии и определяет-

ся по зависимости ρвзв. = ρск. – (1- n) ρв.

Рис. 2. Силы действующие на подпорную стенку

При расчетах устойчивости и прочности подпорных стенок активное и пассивное давление грунта целесообразно принимать в виде отдельных эпюр нагрузки на вертикальные и горизонтальные плоскости стенки. Сила активного давления грунта (рис.2) на жесткие отклоняющиеся в сторону от грунта подпорные стенки определяются по формуле:

12

Е = ½ ρск. Н2 λ,

формула не применима при угле наклона внутренней стенки α > ϕ, λ – коэффициент бокового давления грунта, который определяется:

λ = ,

z =

где δ - угол отклонения равнодействующей активного или пассивного давления от нормали, проведенной к наклонной грани подпорной

стенки. Принимается в зависимости от грунта в пределах 0 ≤ δ ≤3/4ϕ,

чаще δ = ½ ϕ.

ε - угол между горизонтальной составляющей давления грунта и перпендикуляром, проведенным к наклонной грани стенки, α – угол наклона тыловой грани стенки к вертикальной плоскости,

который может быть со знаком «-» при обратном наклоне грани. Горизонтальная составляющая силы давления грунта определяет-

ся по формуле:

λв= λг tg (δ+ ε).

При наличии грунтовых вод все составляющие сил активного давления суммируются.

Еобщ. = Е1+ Е2+ Е3.

3. Строительство сооружений в открытых котлованах и траншеях

Строительство сооружений в открытых котлованах и траншеях является наиболее распространенным методом. Этот способ характеризует относительная простота и доступность выполнения работ. В открытых котлованах строят обычно при большой площади сооружения в плане, незначительной глубине и благоприятных грунтовых условиях. Размеры котлована по его дну назначают, исходя из размеров контура сооружения, с учетом необходимых технологических

13

проездов и площадок для размещения материалов, средств водопонижения, механизмов и т.п.

Технология строительства сооружений открытым способом состоит из следующих этапов:

1.Подготовительные работы.

2.Устройство котлованов или траншей, подготовка основания для ограждающих конструкций.

3.Устройство ограждающих и встроенных конструкций.

4.Нанесение гидроизоляции и обратная засыпка с уплотнением.

5.Возведение надземной части сооружения, благоустройство территории.

Взависимости от глубины котлованы могут быть одноярусными или многоярусными с устройством берм, ширина которых определяется от условий размещения на них кранов. При устройстве котлованов и траншей разработка грунта ведется с вывозом его автотранспортом в отвалы или для подсыпки площадок. Часть грунта складируется во временных отвалах близ строительной площадки, для обратной засыпки.

Строительство в открытых котлованах рекомендуется:

•в скальных, валунных, галечниковых грунтах;

•в песчаных водонасыщенных грунтах до глубины 6 – 7 м:

•в песчаных грунтах естественной влажности до глубины 10 –11 м;

•в водонасыщенных глинистых грунтах на глубину 10 – 12 м;

•в глинистых грунтах на глубину 13 – 16 м.

Эти рекомендации следует рассматривать как ориентировочные и в каждом конкретном случае устанавливать тот или иной способ строительства. Современные средства механизации земляных работ и транспорта грунта позволяют в короткие сроки разрабатывать котлованы большой глубины и значительных размеров в плане, что позволяет от специальных способов строительства переходить к общестроительным, особенно в грунтах естественной влажности. При строительстве заглубленных сооружений на площадках плотной застройки, большим количеством коммуникаций, автомобильных и железных дорог и особенно просадочных грунтах следует отдавать предпочтение специальным способам строительства.

Котлованы с откосами. Устройство котлованов с наклонными откосами или вертикальными закрепленными стенками обусловлено следующими причинами:

• возможность применения высокопроизводительных машин по выемке грунта;

14

•обеспечение свободного рабочего пространства;

•упрощение процесса производства работ;

•исключение многочисленных дополнительных видов работ;

•экономия ценных строительных материалов.

При выборе типа котлована подбирается оптимальный вариант с учетом всех факторов, влияющих на сроки и стоимость его сооружений.

3.1 Область применения и основные положения

Чаще всего это небольшие котлованы с незакрепленными откосами под строительство малых сооружений, до сооружения больших котлованов под энергетические объекты и водохозяйственные комплексы. Глубина таких котлованов может быть различной. Ограничение в применение таких котлованов может быть одно – это отсутствие достаточных площадей для их размещения. По экономическим соображениям такие котлованы также невыгодно, так как объем вынутого грунта из котлована значительно превосходит объем необходимый для размещения самого сооружения. Так, например, для котлованов размером 2 х 2 м и 5 х 5 м с углом наклона 450 в зависимости от их глубины, увеличение объема вынимаемо грунта составит в % :

При применении малопроизводительных машин целесообразность рытья таких котлованов становиться проблематичным. Для земляных выработок средней глубины рекомендуются следующие средние значения углов наклона откосов:

450 – для легких несвязных грунтов;

600 – для средних несвязных грунтов;

800 – для прочных несвязных грунтов.

Значения этих углов значительно уменьшаются в тех случаях, когда отметка дна котлована значительно ниже отметки грунтовых вод или если имеются многослойные толщи грунтов. На рис.2 показана схема разрушения откоса котлована, расположенного с существующим сооружением.

15

Рис. 3. Схемы разрушений фундаментов: а – при устройстве котлована; 1 – основание котлована; 2 – выход грунтовых вод; б – разрушение откоса; в – разрушение основания под фундаментом сооружения: 1 – трещины; 2 -осадки

Грунты представляют собой пылеватые пески, без появления грунтовых вод на откосах котлована. Обрушение произошло через несколько дней после выемки грунта и нанесло значительный ущерб.

При прокладке траншей глубиной более τ ≥ 1,25 м устойчивость

стенок обеспечиваться либо углом наклона откоса, либо соответствующим креплением вертикальной стенки. При глубине траншеи от 1,25 до 1,75 м устраивается скошенная стенка рис. 4б.

Рис.4. Крепление стенок траншей в устойчивых рыхлых грунтах при помощи распорок (а) и срезкой краев стенок (б); 1 – отвал грунта; 2 – винтовая

распорка; 3 – опорная подушка 250×50; е – незагружаемая полоса

Во многих случаях по технологическим условиям применяются комбинированные методы крепления откосов. Наиболее часто встречается вариант, когда верхняя часть стенки крепиться какой – либо распоркой (рис. 4а). При осуществлении варианта (рис. 5б) вызывает сомнение устойчивость грунта, находящего внутри шпунтовой стенки. Последний вариант крепления (5в) – это углубление дна непосредственно под укладываемую конструкцию.

16

Рис. 5. Комбинированное крепление стенок траншей а, б, в – варианты крепления; 1 – рабочая поверхность грунта; 2 – дно котло-

вана; 3 – подпорная стенка

Рис. 6. Схемы закрепления откосов котлованов и конструкций фильтров:

17

а – сечение котлована; 1 – нагорная канава для перехвата поверхностных вод; 2 – обвалование; 3 – фильтр с дренажной трубой; 4 – отметка поверхности земли; 5 – уровень грунтовых вод; б – трапецеидальное сечение канавы; 1, 2, 3 – элементы крепления (см. по тексту);

в - продольные дрены с текстильной облицовкой: 1 – дренажная труба; 2 – текстильная рубашка; г – крепление откоса котлована текстильной облицовкой: 1 – связный

рыхлый грунт, 2 - несвязный рыхлый грунт, 3 – песок, гравий; 4 – текстильная прокладка, 5 – дренажная труба; 6 – каменная наброска; 7 – бетонные плиты; 8 – стальные гвозди; 9 – текстильная облицовка.

3.2 Способы крепления откосов

Откосы котлованов и траншей в процессе строительных работ подвергаются различным воздействиям, поэтому необходимо предусматривать то или иное крепление для обеспечения устойчивости откоса.

Крепление откосов осуществляется различными способами – креплением их оснований, при грузкой или выравниванием поверхности откосов, различными видами водопонижения – устройством скважин, дрен, водоотводящих канав, песчаных подушек. Эти укрепительные работы являются необходимыми в случае устройства котлованов в слабых обводненных или увлажненных грунтах; при сложных геологических условиях – многослойности, чередовании водопроницаемых и водонепроницаемых слоев, наличии напорных грунтовых вод, водоностных слоев, поверхностных вод или возможного перехода грунта в текучее состояние. На рис.6 показаны различные конструкции крепления откосов.

Выбор конкретного конструктивного решения требует комплексного подхода. Конкретные условия при возведении сооружения могут потребовать применения определенного конструктивного решения задачи. На принимаемые решения оказывает влияние также местные условия, применяемая техника, уровень механизации работ, имеющиеся строительные материалы и объемы укрепительных работ.

При выходе грунтовых вод на откосы они должны быть выполнены более пологими или укреплены слоями фильтрующего материала. Для их защиты от атмосферных осадков они должны быть защищены специальными перехватывающими водоотводящими канавами, размеры которых зависят от величины котлованов и траншей и интенсивности дождя.

18

В настоящее время для дренирования откосов широко используются текстильные материалы. Это упрощает их устройство, так как вместо применяемых до сих пор в качестве фильтров различных крупнозернистых материалов используются водопроницаемые искусственные материалы. Для закрепления откосов применяются многочисленные виды текстильных материалов.

При опасности вывала отдельных камней или оползания различных участков с линзами из другого грунта откосы могут быть защищены металлическими сетками, закрепляемыми анкерами.

Для защиты откосов от размывов применяются различные техни- ко-конструктивные или инженерно-биологические способы. Под ин- женерно-биологическими способами принимают защиту откосов против возможной эрозии растительным покровом с использованием строительных материалов или без них. Для защиты откосов котлованов и траншей в первую очередь используется газон, высевающийся на откосе, газонные сетки или дерн.

При применении механизированных способов закрепления откосов для ускорения работ применяются различного вида связующих материалов (цементное молоко, битум, пленки, бетонными или монолитными плитами). При большой длине откоса его возможность подвергнуться эрозии возрастает и в связи с этим он требует более тщательной защиты. Это ведет к необходимости устройства берм вдоль откосов, позволяющих уменьшить их длину. Бермы проектируются как транспортные проезды для строительных машин, а также машин, осуществляющих ремонт откосов во время эксплуатации, что чаще всего встречается при строительстве больших и глубоких котлованов.

Бермы также могут служить для размещения водопонижающего оборудования. Расстояние между бермами зависит от технологических условий и применяемой техники.

Мелкие и средние рыхлые грунты одинаковой крупности при наличии грунтовой воды и кратковременного напряженного состояния могут перейти в плывунное состояние. При этом откосы котлованов или отдельные участки могут потерять устойчивость и несущую способность. Переход грунта в плывунное состояние может вызываться также различными дополнительными причинами, как например, пригрузкой или разгрузкой грунта, его сотрясением или давлением грунтовых вод и т.д. Большое значение имеет также поровое давление в грунте так как при этом исключается возможность быстрой его консолидации. При этом прочность грунта снижается до нуля, в связи с

19

чем рыхлый, водонасыщенный грунт переходит в плывунное состояние. Защита откосов от появления плывунных грунтов возможна следующими способами: с помощью укладки фильтров на откос, защита откосов с помощью отсекающих стенок, понижении грунтовых вод и др.

При сооружении откосов в связных грунтах или когда в несвязных грунтах встречаются включения связных грунтов, могут возникнуть деформации откосов, вызванные атмосферными осадками. Это приводит к частичной или полной потере статической устойчивости откоса из-за возрастания значений порового давлении. Чаще всего осадки являются следствием вибраций, вызванных строительными машинами, транспортом, взрывными работами, или ударными нагрузками при забивке свай и др.

3.3 Условия и расчет устойчивости откосов котлованов и траншей

При глубине котлованов и траншей до 5 м благоприятных грунтовых условиях, исключающих оползни, просадки, неблагоприятных грунтовых условиях, исключающих оползни, просадки, неоднородности сложения грунтов, а также при отсутствии подземных вод откосы котлованов и траншей выполняют без креплений, а для откосов глубиной более 5 м крутизна откосов определяется расчетом. Причинами нарушения устойчивости откосов является нарушения равновесия грунтовых масс и эрозионные процессы. В целях уменьшения эрозионных процессов в районе строительства выполняют, инженерную подготовку территории строительства: вертикальную планировку, сбор и отвод поверхностных и грунтовых вод на период строительства.

Для откосов сложенных однородными грунтами, обладающих внутренним трением и сцеплением, имеется решение задачи в строгой постановке, полученное проф. В.В. Соколовским для определения формы равноустойчивого откоса предельной крутизны. Координаты точек откосов даны в безразмерных единицах:

Х = х′с/γ , Y = y′с/γ,

где x′ , y′ - безразмерные координаты точек на рис.8

20