14.3. Защита котлованов от подтопления

Защита котлованов от подтопления подземными водами осуще­ствляется с помощью водопонижения, устройства противофильтрационных завес или комбинации этих методов. Водопонижение осуществляется с помощью открытого водоотлива или глубинного водопонижения. 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, раз­меров и формы котлована в плане и других факторов. Все применя­емые способы защиты котлованов от подземных вод должны ис­ключать нарушение природных свойств грунтов в основании воз­водимого сооружения, обеспечивать устойчивость откосов выработ­ки и сохранность расположенных вблизи сооружений.

Открытый водоотлив и глубинное водопонижение. Наиболее про­стым способом является открытый водоотлив, при котором воду откачивают насосами непосредственно из котлована. Для организа­ции 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 зависимо­сти от ожидаемого фильтрационного притока воды, который, в свою очередь, зависит от градиента напора воды и фильтрационных 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:

• для мелких песков 0,05...0,16

• для среднезернистых песков 0,10...0,24

• для крупнозернистых песков 0,30...3,0

• для 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 к ухудшению свойств грунтов в основании.

В принципе применение открытого водоотлива не имеет ограни­чений в зависимости от видов грунта и их фильтрационных свойств, но в мелкозернистых грунтах его применение может привести к оплыванию откосов котлована и разрыхлению грунта основания. Чтобы избежать этих нежелательных последствий открытой откач­ки воды, откосы котлованов приходится пригружать песчано-гравийной смесью, а канавки выкладывать щебнем или гравием, что значительно усложняет и удорожает строительство. Поэтому на практике открытый водоотлив применяют при вскрытии котлова­нов только в скальных, обломочных и гравийно-галечных грунтах, а в случае мелкозернистых грунтов — глубинный водоотлив, кото­рый исключает просачивание подземных вод через откосы и дно котлована.

Глубинный водоотлив заключается в искусственном понижении уровня подземных вод в районе котлована. Водопонижающие рабо­ты выполняются чаще всего с помощью иглофильтров. В тех случа­ях, когда погружение иглофильтров невозможно или приток воды велик, например если вблизи имеется водоем, водопонижение осу­ществляется 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 кото­рое 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 воз­никающее при движении воды гидродинамическое давление способ­ствует уплотнению грунтов, а следовательно, улучшению их стро­ительных 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 пони­жается, образуя депрессионную воронку. При расположении иг­лофильтров 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 - депрессионная воронка

Иглофильтры погружают в грунт под действием собственного веса благодаря интенсивному подмыву водой или в специально пробуренные скважины.

Отдельные иглофильтры водопонижающей установки соединя­ют с коллектором из труб диаметром 100...200 мм гибкими шлангами. Коллектор, в свою очередь, соединяется с одной или несколь­кими насосными установками.

В зависимости от фильтрационных свойств грунтов и необходи­мой глубины водопонижения применяют различные типы иглофильтровых 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 глуби­ну иглофильтры располагают в несколько ярусов (рис. 14.9, б) или применяют специальные эжекторные иглофильтры (водоструйные насосы, создающие большое разрежение около фильтрующего эле­мента, что способствует увеличению всасывания), позволяющие при их однорядном расположении понизить уровень подземных вод на глубину до 25 м.

ЛИУ отличаются мобильностью, возможностью быстрого по­гружения иглофильтров в грунт в собранном виде, простотой и на­дежностью эксплуатации. Их применение наиболее эффективно в крупных, средних и мелких песках. Эжекторные иглофильтры, как более мощные, применяют в пылеватых песках и супесях с коэф­фициентом фильтрации более 0,1 м/сут.

При осуществлении водопонижения в грунтах, имею­щих коэффициент фильтрации меньше 0,1 м/сут, используют специальные методы водопонижения - вакуумирование и электроосушение.

При применении вакуум­ного метода в скважинах и на наружной поверхности фильтров создается и непре­рывно поддерживается ваку­ум. Этот метод, требующий повышенных затрат электроэнергии, используют при осушении мелкозернистых грунтов (пылеватые и илистые пески, супеси, легкие суглинки, илы, лессы) с коэффициен­том 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 герметизи­руются и из них откачиваются вода и воздух.

Электроосушение (электроосмотическое водопонижение) приме­няют в глинистых грунтах с низкой водоотдачей. Способ электро­осушения основан на свойстве передвижения воды в глинистых грунтах под действием постоянного тока (электроосмос). Для элект­роосушения 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).

Рис. 14.10. Схема электроосмотического водопонижения:

1 — иглофильтр-катод; 2 — стержень-анод; 3 — коллектор; 4 — депрессионная кривая

Стержни подключают к положительному полюсу источника постоянного тока с напряжением 30...60 В, а иглофильтры (через коллектор) — к отрицательному. Под воздействием пропускаемого тока, перемеща­ясь 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 электроэнер­гии.

Применение электроосушения требует соблюдения соответству­ющих правил техники безопасности.

Замораживание, битумизация. При защите котлованов от подтопления методом замораживания используется свойство влажных грун­тов переходить в твердое состояние при замерзании. Заморажива­ние может быть естественным и искусственным.

При естественном замораживании котлован вскрывают до уров­ня подземных вод в период до наступления морозов. С наступлени­ем 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 опера­цию 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 осуществим только в районах, характеризуемых продолжительными зимами со значительными отрицательны­ми температурами.

Искусственное заморажи­вание применяют при разра­ботке значительных по объему котлованов в водонасыщенном грунте. Способ заключается в создании по периметру кот­лована стенки из мерзлого грунта (льдогрунтовая стенка), заглублен­ной на 2...3 м в водоупор (рис. 14.11).

Рис. 14.11. Схема защиты котлована от затоп­ления подземными водами при помощи замо­раживания:

I — водоносный слой грунта; 2 — водоупор­ный слой грунта; 3 — замораживающая ко­лонка; 4 — цилиндр мерзлого грунта

Грунт замораживают, погру­жая в него трубы, по которым циркулирует охлаждающий раствор (чаще аммиак, реже жидкий азот), понижающий температуру окру­жающего грунта до —15...—20° С. Вокруг труб, погруженных с ша­гом 0,9... 1,5 м, образуются цилиндры мерзлого грунта, которые, смыкаясь между собой, образуют сплошную защитную стенку. Толщина стенки замороженного грунта зависит от ее назначения:

если она служит только для защиты котлована от притока подзем­ных вод, то достаточно иметь толщину 10... 15 см, если же она является и ограждением котлована, то ее толщина устанавливается расчетом на прочность.

Работы по замораживанию грунта проводятся в два этапа. На первом этапе, называемом активным замораживанием, грунт замо­раживают, а на втором этапе, называемом пассивным заморажива­нием, грунт поддерживают в замороженном состоянии в течение всего периода производства работ в котловане. Как показала прак­тика, период активного замораживания занимает 40...70 сут.

Защита котлованов от подтопления методом замораживания имеет тот недостаток, что при его применении в пылевато-глинистых грунтах наблюдается морозное пучение, т. е. увеличение объ­ема, которое сопровождается подъемом поверхности грунта с со­оружениями, находящимися в зоне его влияния. Еще более неблаго­приятные последствия замораживания грунта наблюдаются в про­цессе его оттаивания, поскольку в грунте, подверженном пучению, развиваются просадочные свойства, сжимаемость такого грунта повышается, а сопротивление сдвигу уменьшается. По этой причине следует избегать промерзания грунта ниже подошвы возводимых фундаментов и около фундаментов существующих сооружений.

В скальных трещиноватых породах с большим притоком воды через дно котлована иногда прибегают к устройству водонепрони­цаемых экранов, нагнетая в породу разогретый до жидкого состоя­ния битум. Битум подается насосом в инъекторы, расположенные в скважинах диаметром 100 мм, пробуренных в породе ниже дна котлована. Инъекторы представляют собой толстостенные трубки диаметром 40... 50 мм, имеющие в пределах трещиноватой породы отверстия, через которые жидкий битум поступает в трещины и, остывая, заполняет их. Расстояние между инъекторами обычно принимают равным 0,75... 1,0 м и уточняют пробной битумизацией.

Наряду с битумом для заполнения трещин в скальных породах можно использовать цементный раствор или синтетические смолы. Нагнетание в грунт материала с целью устранения его водопрони­цаемости называется тампонажем.