Практикум по курсу «Специальные подземные сооружения»

r0 – внутренний радиус колодца, м; b – толщина стен, м;

Нв- уступ воды, м;

γж.б - удельный вес железобетона, т/м3;

γ− удельный вес воды.т/м3.

При разнородных грунтах по глубине колодца усредненное значение силы трения:

f = f1h1 + f2h2 + .... fnhn , h1 + h2 + ....hn

где fi - удельная сила трения боковой поверхности колодца по слою грунта, т/м3 и определяется по графику;

hi – глубина залегания слоя грунта.

Толщина стен колодцев определяется, погружаемой в тиксотропной рубашке, определяется по формуле:

Go + Gm + Gn / Kn , Tn + TY + Rn

где Go, Gm, Gn – вес оболочки колодцев, тиксотропной рубашки и пригрузка с коэффициентом 0,9;

41

Tn, Ty, Rn - сила трения ножа колодца и уплотнителя по грунту и усилие сопротивления грунта под подошвой ножа;

Кn – коэффициент надежности, равный 1,2.

В расчет должна приниматься наибольшая глубина погружения колодца. Расчетная сила трения ножа колодца по грунту Тn определя-

ется по формуле:

Тn= UHн foн Кn ,

где U – наружный периметр колодца на уровне ножа, м; Hн- высота ножа, м;

foн- нормативное удельное трение по боковой поверхности ножевой части, определяемое по таблицам;

Кn- коэффициент перегрузки, равный 1,1.

Расчетное усилие трение уплотнителя по грунту Ty, вызванного погружением колодца, определяется по формуле:

Ty= U Hy fy ,

где Hy – высота уплотнителя, м;

fy- удельное трение грунта по боковой поверхности уплотнителя погружаемого колодца, равное 2 тс/м2.

Сопротивление грунта под ножом колодца (Rn) зависит от ширины банкетки, угла наклона внутренней грани ножа и физикомеханических характеристик грунта:

Rn= (Аоγ b + Воq +Cо с) bξо ,

где b – приведенная ширина ножа:

ξо = Rон\Rnн - коэффициент, учитывающий для круглых в плане

колодцев пространственную работу грунта, определяется по графи-

ку(n = r\ b)

где Rон, Rnн – предельная нагрузка на основание в условиях соответственно симметричной и плоской задач. Зависимость коэффициента ξо от параметра n = r\ b при изменении φ = 14…380 приведено нарис. 22.

42

Рис. 22. График зависимости коэффициента ξо от параметра n = r\ b

8. Перемычки

Перемычки применяются для ограждения котлованов при устройстве их на водных артериях, при сооружении больших котлованов или в случае расположении котлованов в тяжелых рыхлых грунтах, в которых обычные грунтовые стенки не могут обеспечить необходимую надежность. Тип перемычек, ее конструктивное выполнение и способ сооружения определяется конкретными условиями и условиями ее возведения.

Виды перемычек. Котлованы, сооружаемые в русле реки, в тех случаях, когда отвод воды из нее не представляется возможным, могут устраиваться отдельными участками под защитой перемычек. В процессе строительства вода пропускается через недостроенные уже возведенные сооружения. На рис. 23 показано строительство гидроэлектростанции, когда все сооружения, располагаемые в русле реки, последовательно возводились в три очереди.

Рис.23 Устройство перемычек при строительстве ГЭС. I – III - последовательность выполнения работ

43

При проектировании перемычек для сооружения котлованов в русле реки необходимо учитывать, что сооружение перемычек уменьшит ширину русла реки, что приведет к образованию подпора воды и увеличению скорости течения воды. В связи с этим появится опасность размыва дна русла реки в ее суженной части. При проектировании необходимо добиться такого пропуска расходов, чтоб их последствия были минимальны. Отметка гребня перемычек должна приниматься с учетом возможной высоты волн с запасом не менее 300 мм над ними.

Грунтовые перемычки Они применяются тогда, когда необходимый объем грунта находится в непосредственной близости от места возведения перемычек. Грунтовые перемычки (рис.24) проектируются как грунтовые плотины небольшой высоты и их возводят теми же методами. Главное, чтобы фильтрационный поток не снижал их устойчивость, напорная грань защищена от разрушения.

Рис.24. Грунтовые перемычки а) – перемычка с дренажом и водоотводящей канавой; б) – перемычка со

шпунтовой стенкой в теле перемычки; в) – перемычка со шпунтовой стенкой с напорной стороны

Грунтовые перемычки проектируются как грунтовые плотины небольшой высоты и возводятся теми же методами. При этом необходим расчет их устойчивости с учетом как статических нагрузок, так и возникающих гидродинамических усилий. При выборе угла заложения низового откоса необходимо учитывать возможность фильтрации воды в котлован через перемычку. Необходимо организовать отвод фильтрационных и атмосферных вод из котлована для увеличения устойчивости откоса. Напорная грань перемычек должна быть защищена от разрушения каменной наброской или фашинами.

Ряжевые перемычки Ряжевые перемычки могут применяться как при их расположении на скальных так и не скальных грунтах. Они применяются также в тех случаях, когда забивка шпунта в грунт недопустима или не обеспечена устойчивость обычных шпунтовых стенок. На рис. 25 представлены три варианта ряжевых перемычек, расположенных в грунтах допускающих забивку шпунта. Вариант рис. 25 «а» применим при небольших глубинах воды. В этой конст-

44

рукции пространство между шпунтами или сваями закладывается сплошной дощатой обшивкой. Для повышения прочности перемычки обе внутренней стены соединены между собой стяжками. В этих же целях шпунтовые элементы или сваи соединяются между собой в продольном направлении деревянными брусьями.

Рис. 25. Ржавые перемычкиа - ржавые перемычки из стоек с дощатым заполнением между ними; б - ржавые перемычки из забиваемого в грунт шпунта; в - ржавые перемычки из металлических шпунтовых стенок; 1 – обвязка; 2 – стягивающий анкер; 3 – дощатое заполнение; 4 – материал заполнения перемычки; 5 – поперечная стяжка; 6 – стойки; 7 – элемент крепления; 8 – деревянный шпунт или стойки; 9 – продольная обвязка; 10 – анкер; 11 – дренаж-

ные отверстия в стенке; 12 – шпунтовая стенка

Образовавшуюся емкость заполняют уплотняющим материалом, например, песком, содержащим до 40% илистых частиц. Перемычки на рис. 25б применяются при средних глубинах воды и состоят из двойного ряда деревянного шпунта, с внешней стороны которых устанавливают деревянные рамы, которые могут работать как на растяжение, так и на сжатие. При глубине воды более 2,5 м ширина ряжевой перемычки b равна ее высоте h. При глубине более 2,5 м ширина перемычки определяется по формуле

b ≈ h/2 +(1,0…1,5м),

при соблюдении условия b ≥ 0,75 h. Приведенный на рис.25в вариант представляет собой ряжевую перемычку из металлического шпунта и применяется при больших глубинах воды. Ограждающие стенки с обеих сторон являются менее водопроницаемы, чем стенки в вариантах а и б, более устойчивы и легко выполняются забивкой шпунта в грунт.

Ячеистые перемычки (рис. 26) выполняются в виде замкнутых и соединяемых между собой цилиндрических сегментов вертикальных оболочек. Эти ячейки выполняются из шпунтовых элементов. В целях повышения водонепроницаемости и устойчивости ячейки за-

45

полняются водонепроницаемым материалом. Преимущество ячеистых перемычек является:

•возможность возведения на грунтах, не допускающих забивки шпунта;

•отсутствие заанкеривания, а также распорок или стяжек;

•хорошее примыкание к основанию;

•легкое извлечение грунта при разборке перемычки и извлечении шпунта;

•не требует проведения водолазных работ.

Для повышения устойчивости оболочек для заполнения применяется материал с большим коэффициентом угла внутреннего трения и максимально возможной плотности (щебень, каменная наброска, гравий). При материале заполнения ρ =1.8 т/м3 возможно применение цилиндрических оболочек при D ≈ h. Эти конструкции применяются на морских акваториях и больших реках.

Рис. 26. Возведение перемычки из цилиндрических ячеек 1 – фильтровый клин; 2 – транспортная лента; 3 – главные ячейки; 4 – со-

единительные ячейки; 5 – опора

Расчет перемычек. В настоящий момент не существует приемлемых методик для расчета перемычек. Расчет перемычек проводят по этапам:

46

1.определение размеров отдельных конструктивных элементов (шпунтовых стенок, анкеров) с учетом действующих нагрузок для самого неблагоприятного случая;

2.проверка устойчивости выполненной конструкции перемычки после завершения работ по ее возведению и засыпке грунтовым материалом. К этому этапу также относится расчеты по определению полной устойчивости перемычки против скольжения, опрокидывания, а также расчет на возможность прорыва материала

засыпки из ячейки.

Оба этапа расчета проводятся независимо друг от друга. В ходе первого этапа для случая нормального эксплуатационного режима определяется напряжения в материале засыпки ячейки, после чего рассчитываются необходимые конструктивные сечения и размеры. В ходе выполнения второго этапа определяется нагрузка, приводящая к разрушению ячейки. При определении размеров перемычек необходимо также учитывать, что уровень вода за перемычкой может подняться , что неблагоприятно отразиться на общей устойчивости возводимой перемычки. И этот случай может оказаться расчетным, так как действующие усилия могут вызвать самые большие напряжения, чем при завершении строительства. Полезная нагрузка в случае ячеистых перемычек складывается из совместного действия давления грунта и воды. Под давлением воды внешняя сторона перемычки будет смещаться в сторону котлована, а так как обе стороны перемычки между собой связаны, другая стенка переместится на ту же величину от заполняющего ячейку материала. При расчете устойчивости перемычек разделяют случаи внешней и внутренней устойчивости. При определении внешней устойчивости перемычки рассчитывается ее устойчивость на скольжение, опрокидывание и обрушение при условии рассмотрения ее как жесткой конструкции. В нормальном случае необходимая ширина перемычки определяется из расчета устойчивости от внутреннего обрушения. При расчете устойчивости перемычки на этот случай необходимо определить положение плоскостей, при котором произойдет разрушение, и выбрать из них плоскость с меньшей устойчивостью. В качестве поверхности разрушения принимается поверхность логарифмической спирали. В качестве расчетной поверхности для обеспечения необходимой устойчивости принимается такое положение, при котором горизонтальные силы имеют минимальное значение. В качестве показателя надежности принимается отношение наибольшей горизонтальной нагрузки к ее расчетному значению:

47

fs = max Fw/vorh Fw.

Расчетным значением горизонтальной нагрузки обычно принимается величина горизонтального давления грунта Fw.

В заключение необходимо определить сопротивляемость перемычки и величину нагрузок в основании в состоянии разрушения

стенки по следующему выражению: σ χ = λFσ Ζ , где λF - значение дополнительных нагрузок; σ Ζ − вертикальные напряжения со стороны перемычки, обращенной к котловану. Значения λF определяется по диаграмме, а σ Ζ = ρgz + fs ρw gz (h2\b2- 1\5).

9. Строительство подземных сооружений способом «стена в грунт»

Способ «стена в грунте» начал применяться после 1940 г. для устройства противофильтрационных завес. Способ «стена в грунте» является одним из наиболее прогрессивных для строительства подземных и заглубленных сооружений. Его применение во многих случаях позволяет исключить такие дорогостоящие работы, как забивка шпунта, водопонижение, замораживание грунта. За последние десятилетия стена в грунте получила широкое применение во всем мире, что способствовало значительному усовешерствованию технологий их строительства и конструкций. В будущем он, несомненно, найдет широкое применение в условиях плотной городской застройки, при развитии подземной урбанистики, при реконструкции различных объектов для устройства щелевых фундаментов. По назначению стены в грунте разделяются на три типа: несущие, ограждающие и противофильтрационные. Стены в грунте используются также при устройстве фундаментов. С учетом назначения стен подбирают и материалы заполнения: из твердеющих заполнителей, сборные или сбор- но-монолитные и стены из нетвердеющих заполнителей.

Технология строительства способом «стена в грунте состоит из пяти основных этапов:

1.Подготовительный.

2.разработка траншеи под защитой глинистого раствора.

3.Заполнение траншеи монолитным, сборным железобетоном или противофильтрационными материалами.

4.Разработка грунта в ядре сооружения с замоноличиванием стыков, отделкой поверхности монолитного бетона и устройством распорных конструкций или грунтовых анкеров.

48

5. Устройство днища и внутренних конструкций.

Этот способ имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами. Прежде всего, в условиях плотной городской застройки он является труднозаменимым, при высоком уровне грунтовых вод и глубоком залегании фундаментов сложной формы и др. Несмотря на явные преимущества, использование способа не может быть универсальным и имеет ряд ограничений:

•в крупнообломочных и карстовых грунтах;

•при наличии в грунтах крупных включений (крупные булыжники, обломки ж/б конструкций, металлических балок и т.д.)

•в текучих илах и плывунах у поверхности или при наличии в грунтах напорных подземных вод с большими скоростями фильтрации.

Подготовительный этап предшествует основным строительным работам и должен соответствовать проекту организации и производства работ для данного сооружения. В их состав включают:

1.геодезическую разбивку осей и контуров сооружений;

2.планировку поверхности площадки;

3.устройство всех временных сооружений, а также установку оборудования для хранения, приготовления, подачи и очистки глинистого раствора;

4.устройство временных дорог, проездов, сетей электроснабжения, водоснабжения и связи;

5.устройство отводных каналов, лотков и емкостей для стока и сбора глинистого раствора, вытесняемого при заполнении траншеи. Особое внимание на этом этапе уделяется устройству на местах

глинистого хозяйства.

Устройство траншеи. После окончания подготовительного этапа начинается работа по устройству самой траншеи. Для укрепления устья траншеи от обрушения и обеспечения заданного направления движения механизмов, разрабатывающих грунт в траншее, устраивают воротник (форшахту) траншеи. Форшахта также является опорной поверхностью для подвески и раскрепления ограничителей захваток, армокаркасов, бетонолитного и другого оборудования, сборных панелей и т.п. они выполняются из монолитного или сборного железобетона, реже из другого материала. Расстояние между стенками форшахты в свету должно быть больше ширины траншеи на 0,1….0,2 м, а при устройстве стен в грунте из секущихся свай – соответствовать диаметру скважины. По высоте форшахта располагается так, чтобы уровень глинистого раствора был выше уровня подземных вод на

49

1,0…1,5 м; при этом уровень глинистого раствора должен быть ниже верха форшахты на 0,3 м.

Глинистый раствор обеспечивает устойчивость стенок траншеи, и на этом принципе в основном и базируется принцип «стена в грунте». При отрыве траншеи грунт под воздействием бокового давления стремится переместиться в траншею. Этому перемещению препятствует ограждающая стенка форшахты по верху и давление глинистого раствора по глубине траншеи, которое должно быть больше, чем боковое давления грунта Устойчивость стенок траншеи обеспечивается при соблюдении следующих условий:

Qp ≥1,1 (Q + Qв), qp ≥ q + qв,

где Qp- равнодействующая давления глинистой суспензии в траншее; Q - равнодействующая активного давления грунта;

Qв - равнодействующая гидростатического давления подземных

вод;

1,1 - коэффициент надежности устойчивости стенок траншеи; qp, q и qв – интенсивность давления по глубине траншеи, соответ-

ственно глинистой суспензии, грунта и воды.

Необходимый удельный вес глинистой суспензии определяется по формуле: γр = qp /hz.

Удержанию стенок траншеи от обрушения способствует также образование на стенах глинистого экрана, возникающего в результате действия гидродинамического давления глинистого раствора на грунтовую стенку траншеи. Происходящая при этом из-за разности давления грунтовой воды и глинистого раствора инфильтрация воды из раствора в грунт стенок вносит в грунт глинистые частицы, кальматирует прилегающий слой грунта и укрепляет его.

Гидродинамическое давление определяется по формуле: D= Ĵ – /g dq/dt ,

где - удельный вес воды;

Ĵ – гидравлический градиент, Ĵ = (Н1 – Н2)/ L; q- скорость движения грунтовой воды; dq/dt – ускорение движения грунтовой воды.

Так как скорость q и ускорение dq/dt малы по сравнению с g, то D = Ĵ, и почти не зависит от скорости фильтрации.

Используют следующие технологии разработки траншеи и устройства стен в грунте (рис.27):

50