Практикум по курсу «Специальные подземные сооружения»

забивки должна быть больше, чем при свободном его расположении, так как величина изгибающего момента, действующего на шпунт, будет несколько меньше при его свободном расположении, что позволяет использовать более тонкий профиль.

При шпунтовых стенках защемленных в грунт и имеющих несколько точек опирания по высоте, могут рассчитываться как равномерно нагруженные балки, при этом учитывается глубина их забивки в грунт. При расположении шпунта в открытой воде или при наличии фильтрационного потока в грунте во многих случаях основными нагрузками являются нагрузки от фильтрационного потока.

Распределение давления грунта. Основной нагрузкой при рас-

чете шпунтовых стенок является давление грунта. Основная проблема не в расчете самой его величины, а в определении его распределения по высоте в соответствии с местными грунтовыми условиями. Так шпунтовая стенка, не имеющая дополнительных опор по высоте, можно рассматривать как частный случай конструкции, свободно вращающейся вокруг точки, расположенной у ее подошвы. Давление грунта на шпунт рассматривается в соответствии с классической теорией Кулона.

При определении нагрузок на шпунтовые стенки рис. 15, имеющие одну или несколько промежуточных опор, необходимо учитывать, что между точками опирания происходит прогиб шпунта. Это приводит к тому, что стенка остается неподвижной лишь в точках ее опирания и в грунте, прилегающем к стенке, появляются силы внутреннего трения, которые приводят к увеличению давления в точках опор. Таким образом имеет место перераспределение нагрузок. Полная величина давления грунта на стенку остается без изменений. Характер перераспределения нагрузки зависит от конструкции стенки и ее материала.

Рис. 15. Схема деформаций шпунтовых стенок по мере понижения дна котлована (а) и при обратной засыпке (б)

1 – смещение стенки вперед; 2 – отметка дна котлована при забивке шпунта; 3 – анкер; 4 – отметка дна котлована.

31

5. Основные конструктивные требования и расчеты при проектировании подпорных стен

Подпорные стены. Основные размеры подпорных стен определяются в зависимости от высоты подпора (Н) грунта. Размеры подошвы массивных стен назначают от 0,5Н до 0,7Н. Минимальную глубину заложения подпорных стен рекомендуется принимать не менее 0,6 м при нескальных основаниях и не менее 0,3 м – при скальных. По длине подпорные стены должны быть разделены на всю высоту температурно-осадочными швами. Обратную засыпку рекомендуется производить дренирующим грунтами. Нагрузки, действующие на подпорную стену, ее перемещения могут достигнуть таких значений, когда произойдет плоский сдвиг стены по поверхности основания или ее опрокидывание – стена теряет устойчивость и наступает ее

предельное состояние.

Расчет и конструирование подпорных стен должны обеспечить такую надежность их работы, чтобы ни одно из возможных предельных состояний не наступило. Для расчетов с учетом наиболее невыгодного сочетания нагрузок выделяют две группы предельных состояний подпорных стен и их оснований.

По первой группе предельных состояний выполняют расчеты:

•устойчивость положения стены против плоского сдвига и устойчивости против опрокидывания;

•прочности основания под подошвой стены;

•прочности элементов конструкций узлов и соединений.

По второй группе выполняют расчеты:

•на осадки и крены, связанные с деформациями основания;

•трещиностойкости элементов конструкций подпорной стены (для стен с напором воды).

При расчете по первой группе коэффициенты надежности принимаются по таблицам, а по второй принимают равным 1.

Устойчивость положения стены против плоского сдвига по основанию проверяют по неравенству:

ncTсдв ≤ Тудm/кн,

откуда:

кн= Тудm/ТудTсдв,

где nc – коэффициент сочетания нагрузок;

Tсдв- расчетное значение сдвигающей силы, равной сумме проекций всех расчетных сил на плоскость скольжения;

32

Туд- расчетное значение силы сопротивления основания сдвигу стены;

m– коэффициент условий работы, который принимается для ж/б

ибетонных стен равным 1,0;

кн – коэффициент надежности, учитывающий (кн= 1,1) степень ответственности, капитальности и последствий при наступлении тех или иных предельных состояний с учетом

Рис. 16 Схема сил действующих на подпорную стенку

класса сооружений (I класс кн= 1,25, II класс кн= 1,2, III класс кн= 1,15, IV класс кн= 1,1

Согласно схеме усилий, представленных на рис. 16, имеем:

Тсдв= Qа + Qв1 + Qв2;

Туд= Nf+ Fc +Qп;

N = Gc+ Gгр1+ Gгр2+ Gв- Wвзв;

Qa= Qa1+ Qa2,

где Qa- равнодействующая активного давления грунта на заднюю грань стены или на вертикальную плоскость, касательную к тыльному концу фундаментной плиты;

Qв1- равнодействующая давления воды на заднюю грань; Qв2- то же на переднюю грань подпорной стены;

f,c – коэффициент трения и удельное сцепление между подошвой подпорной стены и поверхности основания;

F – часть площади подошвы подпорной стены, в пределах которой учитывается сцепление;

33

Qп- равнодействующая пассивного давления грунта на вертикальную плоскость;

Wвзв- равнодействующая давления воды на подошву фундаментной плиты.

Касательная сила Nf+ Fc (см. рис. 15) принимается распределенной по подошве подпорной стены в соответствии с выражением: τ = рf + c, где р – давление на основание в рассматриваемой точке.

Коэффициент трения f при ж/б стенке принимают для грунтов:

Устойчивость подпорной стены на опрокидывание с учетом деформации основания проверяют, если основание сложено из легкого деформируемого песчаного или глинистого грунта. Причем опрокидывание может произойти по оси точки О`, находящейся на расстоя-

нии епр= 0,5b- от середины подошвы.

где z0- расстояние от центра тяжести подпорной стены до поверхности ее основания;

к – коэффициент постели грунта, который меняются в пределах (от 100 для рыхлых песков, текучепластичных глин и суглинков до 600 для твердых глинистых грунтов и крупных песков).

Расчет основания под подошвой подпорной стены по первой группе предельного состояния (по несущей способности) производят по условию:

N ,

где N- сумма проекция всех сил на вертикальную плоскость; Nu- вертикальная сила предельного сопротивления основания сложенного нескальным грунтом. Определяется по СНиП 2.02.01.-83*в зависимости от вида грунта.

6. Способ подращивания

Сущность метода заключается в разработке грунта с вертикальным откосом, его укреплением по мере заглубления подвешиваемой снизу обделкой из сборного или монолитного железобетона, или тюбингов (рис. 17). Пространство между обделкой и откосом тампони-

34

руется бетоном или цементным раствором. Такие сооружения выполняются в прочных грунтах способных держать, какоето время вертикальный откос (скальные, мерзлые или твердые глинистые грунты). При применении метода в слабых грунтах по периметру будущей выемки производят зональное закрепление грунтов. Кольца закрепленного грунта образуют завесу, защищающую забой от вывалов и притока грунтовых вод; притом ж/б обделка работает совместно с толщей закрепленного грунта.

Рис. 17. Тюбинг: 1- отверстие для нагнетания тампонажа; 2 - отверстие для стяжных болтов; 3 паз для чеканки; 4 – монтажные скобы

Стыки тюбингов, как правило, устраиваются на болтах, первый ряд которых крепится к оголовку, устраиваемому в виде подпорной стенки по периметру сооружения (рис 18).

35

Рис. 18. Схемы заглубления сооружения для установки непрерывной разливки стали (УНРС) в г. Донецке: 1 – лифт; 2 – междуэтажные перекрытия; 3 – внутренняя камера; 4 – оголовок; 5 – тюбинги; 6 – тампонажный слой; 7 – монолитное днище; 8 - гидроизоляция

Этот способ широко применяется в шахтном строительстве при устройстве стволов шахт до 6…8 м. Конструкция выполняется из чугунных или железобетонных тюбингов. На рис.18 приведена схема подземного сооружения для установки непрерывной разливки стали. В водопроводно-канализационном строительстве этот метод широко используется для устройства колодцев диаметром 8….12 м и глубиной 10…15 м. При возведении сооружений в плотных грунтах можно отказаться от оголовка.

36

7. Строительство опускных сооружений

Опускные колодцы, выполняемые из монолитного или сборного железобетона, характеризуются следующими этапами строительства:

1.Подготовительный этап (устройство временного основания и инфраструктуры).

2.Возведение сооружений на поверхности (устройство ножевой части и его возведение по ярусам опускания).

3.Опускание сооружения.

4.Устройство днища и встроенных конструкций.

5.Возведение надземной части и благоустройство территории. Опускные колодцы на поверхности возводят по ярусам опуска-

ния, так как не допускается самопроизвольного опускания колодца под собственным весом и обеспечивается давления на грунт под банкеткой ножа меньше предельного. Для обеспечения невозможности опускания колодца при слабых грунтах создаются искусственные основания в виде песчаных подушек (рис.19б), щебеночных призм и другие. При плотных грунтах нет необходимости в искусственных основаниях и ножевую часть бетонируют в специально отрытой траншее (рис. 19а). Форма ножевой части в значительной степени зависит от грунта.

Рис. 19 Конструкции временного основания под нож колодца:

а – в траншее; б – на песчаной или щебенчатой призме: 1 – доска; 6 – опалубка ножа

Для обеспечения устойчивости насыпной призмы ее заглубляют на глубину 0,5 – 0,8 м. Площади подкладок в зависимости от высоты первого яруса бетонирования колодца при толщине его стен 0,8 – 2 м определяют по графику.

После бетонирования ножа приступают к установке опалубке стен, для чего применяют деревянные, металлические щиты или железобетонные плиты - оболочки, которые имеют более водонепроницаемую и гладкую поверхность, так как изготовляются в заводских условиях. При строительстве сооружений на поверхности воды приходиться создавать искусственный остров окруженный шпунтом или

37

каменной набросной, на котором размещают опускной колодец или кессон.

Изготовление монолитных железобетонных колодцев и кессонов производят на подготовленной территории, затем раскладывают, выверяют и сваривают металлоконструкции обрамления банкетки ножа, После сварки монтажных стыков арматурная конструкция обладает достаточной жесткостью, и к ней крепят опалубку. При бетонировании колодцев применяют переставную и подвесную щитовую опалубку различных конструкций. Толщину стен назначают из условия преодолении сил трения, возникающих при погружении колодца. Толщина стен может достигать 2 – 2,5 м и более. Стены армируют каркасами и сетками весом5т.

Возведение крупных монолитных колодцев осуществляют поярусно. Высота яруса может достигать 8 – 10 м и чем больше тем лучше, так как это дает возможность экономить на опалубке и сроках ввода объекта на сроках строительства. Иногда толщину стен уменьшают по высоте за счет внутренних уступов.

Из монолитного железобетона выполнено большое количество крупных опускных колодцев. Опускные колодцы корпусов первичного дробления руды, установки непрерывной разливки стали и другие. Опускной колодец Южного горно-обогатительного комбината достигает глубины 48,5 м и диаметром 33,3 м (рис. 19) был опущен из пионерной траншеи глубиной около 8 м. Геологический разрез показан на рис. 20. С глубины 10 м грунты обводнены. Устройство ножа вели в траншее. Длина армокаркасов составила от 7 до 13 м. Толщина стен составила в нижней части 2,25 м, выше 2.15 м и 1,65 м. Для разработки грунта в колодец опустили два экскаватора с прямой и обратной лопатой и бульдозер.

38

Рис. 20 Схема опускного колодца ЮГОК

Грунт загружался в бадьи четырьмя башенными кранами. Объем земляных работ достигал 800 м3/сут., что обеспечило среднее опускание колодца 0,3 – 0,4 м/сут. При проходке водонасыщенных грунтов использовались водопонижение в виде девяти глубинных скважин общей производительностью 700 м3/час.

Сборно-монолитные опускные колодцы. Ножевая часть вы-

полняется, как правило, в монолитном железобетоне, поэтому временное основание под ножами сборно-монолитных опускных колодцев выполняется аналогично монолитным. Первый колодец был построен на Стойленском руднике в Белогородской области, как корпус первичного дробления руды. Размеры колодца, в соответствии с размещением технологического оборудования, составили: диаметр – 29,5 м, глубина – 22.9 м. Грунтовые воды до глубины 25 м не обнаружены и условия строительства были признаны удовлетворительными. При этом не учитывалось, что две пробуренные скважины не могли определить наклон пластов, что сыграло важную роль при погружении колодца.

Толщина стен составила 1.5 м, при толщине погружения равным 1,22, что обеспечило погружаемость колодца. Размеры блоков определились их весом 8,75 т и равны грузоподъемности монтажных кра-

39

нов. Определение высоты ярусов производилось из условия прочности основания под банкеткой ножа и щебеночной призмы.

Высота первого яруса опускания определилось по условию:

G1 < R l (b + c/2 ),

где G1 – вес 1 погонного метра первого яруса колодца и призмы, кг; R - расчетное сопротивление грунта под ножом, 20 кН/м2;

l – длина расчетного участка, равная 1 м;

b –ширина прямоугольной части эпюры давления на грунт, равный толщине стены 1,5 м;

c - ширина треугольной части эпюры давления стены и щебня на грунт, равная 200 см.

Расчетная схема для определения высоты первого яруса Н1 представлена на рис. 21

Рис. 21. Расчетная схема для определения высоты первого яруса Н1

Выражая G1 через Н1 определим высоту первого яруса. По расчету она составила 11,3 м и была принята равной 10 м. Высота второго яруса определилась из условия погружения ножа в грунт на 1 м.

Условия равновесия:

G1 + G2 – Т = V1 + V2,

где - G2 – вес второго яруса;

Т - сила трения бетона о грунт;

V1 – равнодействующая прямоугольной части сил реакции грунта под ножом колодца;

V2 - равнодействующая треугольной части эпюры сил реакции. Высота второго яруса по расчету составила 12,75 м и бала приня-

та, исходя из необходимых габаритов колодца, равной12м.

Расчет на погружение колодца. Толщина стен гравитационных

40