Возведение фундаментов в вытрамбованных котлованах

Принцип устройства фундаментов в вытрамбованных котлованах состоит в том, что котлованы под фундаменты не разрабатываются, а вытрамбовываются на необходимую глубину трамбовкой с последующим бетонированием образованного котлована или с установкой в него сборных железобетонных элементов. При вытрамбовании котлована вокруг него образуется зона уплотненного грунта, в пределах которой повышается прочность грунта и снижается сжимаемость.

Вытрамбование котлованов осуществляется путем многократного сбрасывания с высоты 3-8 м трамбовки, имеющей форму будущего фундамента.

Для вытрамбования используются краны-экскаваторы, тракторы с навесным оборудованием, включающим направляющую штангу, каретку и трамбовку.

В зависимости от способа повышения несущей способности по грунту основания фундаменты в вытрамбованных котлованах могут быть:

без уширенного основания с плоской или заостренной подошвой без дополнительного втрамбования в дно котлована жесткого материала (рис.28, а);

с уширенным основанием, получаемым втрамбованием в грунт жесткого материала (щебня, песка, гравия, песчано-гравийной смеси, шлака и т. п.) (рис.28, б);

в виде отдельно стоящих, ленточных и ленточных прерывистых (рис.28, в, г).

Рис.28. Виды фундаментов в вытрамбованных котлованах:

а - бeз уширения основания, б - с уширением основания, в - ленточный прерывистый, 1 - фундамент, 2 - уплотненная зона, 3 - втрамбованный жесткий материал

В зависимости от способа возведения фундаменты в вытрамбованных котлованах могут быть монолитными и сборными.

Фундаменты в вытрамбованных котлованах рекомендуется применять в просадочных грунтах, а также в различных пылевато-глинистых грунтах.

Фундаменты без уширенного основания в вытрамбованных котлованах выполняют трамбовками, имеющими в плане форму квадрата, прямоугольника, многогранника или круга с шириной понизу 0,4-1,5 м, конусностью 1:20-1:5 и высотой 1-2 м (рис.29). Такие трамбовки делают с плоским дном. При вытрамбовании котлованов в плотных грунтах целесообразно днище делать с заострением в 90-120°, в результате чего обеспечивается более интенсивное выпирание грунта в стороны и повышается эффективность вытрамбования котлована.

Фундаменты с уширенным основанием в вытрамбованных котлованах выполняются с использованием трамбовок шестигранной, квадратной и круглой формы диаметром поверху 0,6-1,2 м, понизу 0,4-1 м, высотой 1,5-3,5 м с заострением нижнего конца под углом 60-90° (см. рис.29).

Рис.29. Трамбовки для вытрамбования котлованов:

А с плоской подошвой, б с заостренной подошвой, в удлиненная для вытрамбования поостей для фундаментов в виде коротких свай

Фундаменты из сборных бетонных блоков в вытрамбованных котлованах выполняют путем вытрамбования котлованов на глубину 0,6-0,95 проектной глубины заложения фундаментов, установки в вытрамбованный котлован сборного бетонного блока и последующго погружения его до проектной отметки забивкой той трамбовкой.

Сборные бетонные блоки изготовляют по форме трамбовки с размерами в плане на 2-5 см больше размеров трамбовки. Это превышение размеров обеспечивает при добивке блока его плотное сопряжение с грунтов.

Вытрамбование котлованов основано на использовании ударной нагрузки, возникающей падения трамбовки с определенной высоты. Напряжения, возникающие в грунте от падающей трамбовки, зависят от массы трамбовки, ее удельного статического давления, высоты сбрасывания и других факторов.

Процесс вытрамбования котлованов в различных грунтах протекает по-разному и состоит из следующих этапов: уплотнение грунта с формированием уплотненной зоны, продавливание уплотненной зоны, вытеснение грунта в стороны, выпор его вверх, разуплотнение грунта в стенках и у дна котлована, а в некоторых случаях и разжижение грунта

Уплотнение грунта при вытрамбовании котлованов происходит вследствие остаточных деформаций сжатия грунта в момент удара трамбовки. При уплотнении грунта происходит разрушение существующей структуры грунта и формирование новой структуры с более плотной укладкой частиц грунта.

Продавливание уплотненной зоны происходит после окончания ее формирования до максимальных размеров в плане и по глубине.

Глубину, с которой начинается продавливание уплотненной зоны грунта при вытрамбовании, определяют по формуле

, (9)

где pd - плотность природного сухого грунта до уплотнения,

pd,s - то же, после уплотнения в пределах уплотненной зоны,

ms - коэффициент, учитывающий боковое расширение грунта в стороны, принимают равным 1,2

Вытеснение грунта в стороны происходит при вытрамбовании котлованов трамбовками с заостренным нижним концом, так как сильно возрастает величина горизонтальной составляющей от динамического воздействия трамбовки на грунт. При этом котлован образуется в результате вытеснения грунта в стороны и образования уплотненной зоны вокруг котлована.

Выпор грунта в стороны и вверх вызывается тем, что объем вытесняемого грунта при вытрамбовании превышает объем грунта, требуемый для образования уплотненной зоны.

Вытесняемый грунт вначале перемещается в стороны, а затем вверх, в результате чего наблюдается подъем поверхности грунта вокруг котлована. Выпор грунта в стороны и вверх обычно наблюдается при вытрамбовании котлованов в плотных грунтах, а также в водонасыщенных. Выпор происходит после окончания формирования уплотненной зоны.

Разуплотнение грунта на дне и стенках котлована вызывается нарушением равновесия между силами сопротивления продавливанию и прочностью сформированного уплотненного грунта. В этом случае значительная часть энергии расходуется на образование упругих колебаний и деформации грунта в уплотненной зоне. Разуплотнение грунта наблюдается при высокой энергии удара трамбовки и зависит от связности и влажности грунтов. В пылевато-глинистых грунтах с числом пластичности Iр0,15 разуплотнение грунта практически отсутствует. При снижении влажности грунтов возможность возникновения разуплотнения грунтов возрастает, поэтому для снижения разуплотнения грунта при вытрамбовании котлованов повышают влажность грунта, подсыпают в котлован глинистый грунт, снижают энергию удара трамбовки.

Разжижение грунтов при вытрамбовании котлованов наблюдается в водонасыщенных глинистых грунтах, склонных к тиксотропным явлениям. В таких грунтах наблюдается засасывание трамбовки. Разжижение песчаных грунтов происходит при влажности, близкой к полному водонасыщению.

Размеры общего котлована под здание или сооружение назначаются с учетом принятой технологии производства работ и схемы движения механизмов. Размеры в плане и конфигурацию вытрамбованных котлованов принимают в соответствии с размерами фундаментов и применяемых трамбовок.

Толщина подсыпки при планировке котлована под здание не должна превышать величины hf, определяемой по формуле

, (10)

где dp - глубина вытрамбованного котлована;

bт - ширина или диаметр вытрамбованного котлована в среднем по высоте сечения;

hbr- толщина уширения из жесткого материала.

Массу трамбовки для обеспечения эффективного вытрамбования котлованов назначают исходя из того, что удельное статическое давление по основанию трамбовки должно быть не менее 0,03 МПа - для фундаментов неглубокого заложения и 0,05 МПа - для фундаментов с уширенным основанием.

Высоту сбрасывания трамбовок в зависимости от типа применяемого оборудования и вида грунта принимают равной 3-8 м.

Необходимое число ударов трамбовки для вытрамбования котлована на требуемую глубину dp приближенно определяют по формуле

, (11)

где - коэффициент, учитывающий влажность грунта и принимаемый равным: в грунтах с оптимальной, влажностью=1, при пониженной влажности=0,7; при повышенной влажности=1,2;

Sim - среднее понижение дна котлована за один удар трамбовки, принимаемое равным для трамбовок с плоским основанием при А < 1 м -10 см; при А=1...2 м-8 см и при А>2 м- 6 см; для удлиненных трамбовок с заостренным конусом Sim=l,5 см; А - площадь основания трамбовки.

При устройстве уширенного основания необходимое число ударов трамбовки для втрамбования жесткого грунтового материала в дно котлована определяется для каждой засыпки высотой h3 по формуле (11). При этом приведенные выше значения понижения дна котлована Sim принимают в 1,5 раза меньше.

Для вытрамбования котлованов используют навесное оборудование, в комплект которого входит трамбовка, направляющая штанга или рама и сбрасывающая каретка. Для вытрамбования котлованов небольших размеров может использоваться сваебойное оборудование.

В качестве базовой машины используют краны-экскаваторы на гусеничном ходу Э-652, Э-10011 и Э-1252 и на колесном ходу Э-302. Грузоподъемность базовой машины должна быть в 2,5-4 раза больше массы трамбовки.

Навесное оборудование может быть смонтировано на стреле драглайна с шарнирной подвеской направляющей штанги в ее верхней части (рис.30, а) и к стреле экскаватора прямая лопата с шарнирным креплением направляющей штанги в верхней части к стреле, а в нижней части - через распорку к экскаватор (рис.30, б).

Рис.30. Оборудование для вытрамбования котлованов:

а - на экскаваторе со стрелой драглайн, б - на экскаваторе с прямой лопатой, в - на базе трактора, г - на базе сваебойнного агрегата, 1 - стрела; 2 - направляющая стопки (штанга), 3 - каретка, 4 - трамбовка; 5 - упорная плита, 6 -зубья, 7 - серьга, 8 - оголовок, 9 - распорка; 10 - противовес; 11 - подвеска; 12 - молот, 13 -- штанга

Направляющая штанга к стреле драглайна имеет коробчатое сечение образованное из двух швеллеров, четырех уголков, усиленных вертикальным мостом, по которому скользит каретка. Направляющая штанга в верхней части имеет шарнир, который обеспечивает перемещение ее в двух направлениях и служит для навески ее на стрелу. Для предотвращения горизонтальных смещений при вытрамбовании в нижней части направляющая штанга имеет опорную плиту с фиксаторами.

Направляющая штанга к стреле экскаватора прямая лопата состоит из направляющей стойки и распорки, ограничивающей вылет стрелы и повышающей жесткость навесного оборудования. Направляющая стойка в верхней части имеет оголовок, на котором крепятся блоки и серьга для крепления стойки к стреле экскаватора.

Каретка коробчатого сечения надевается на направляющую штангу и удерживается на ней с помощью пазов или полок. Внутри каретки располагаются катки, которые перемещаются по штанге. Каретка подвешена к рабочему канату через опорный мост, к которому закрепляется трамбовка.

Трамбовки свариваются из стального листа толщиной 10-16 мм. Внутренняя часть трамбовки заполняется бетоном.

При использовании в качестве базовой машины кранов на колесном и гусеничном ходу навесное оборудование навешивают на стрелу с шарнирной подвеской направляющей штанги, конструкция которой аналогична конструкции стрелы экскаватора-драглайна. Каретка снабжена сбросным устройством в виде крюка или захвата. При подъеме трамбовки в верхнее положение с помощью стопорного упора происходит поворот сбросного крюка или разжим захвата, после чего трамбовка отсоединяется от каретки и падает вниз по направляющей штанге. Затем по направляющей штанге опускается сбросная каретка, при соприкосновении которой с трамбовкой автоматически срабатывает захватное устройство и сбросная каретка с трамбовкой поднимается вверх для повторения цикла.

Навесное оборудование на тракторах С-100, ТМ-100 и др. позволяет использовать трамбовки массой до 3 т и включает: направляющую раму, смонтированную в задней части трактора; системы блоков, подвесок и противовеса, устанавливаемого на передней части (рис.30, в). Направляющая рама высотой 6-8 м состоит из двух стоек, по которым передвигается каретка. Для повышения устойчивости во время работы к стойкам направляющей рамы крепят аутригеры.

При вытрамбовании котлованов в различных грунтовых условиях проявляются специфические особенности, поэтому перед началом производства работ выполняются опытные работы с целью отработки технологии вытрамбования в данных грунтовых условиях. При опытных работах определяют среднее число ударов трамбовки и оптимальную высоту сбрасывания, объем засыпки жесткого материала, минимально допустимое расстояние между соседними котлованами и физико-механические характеристики уплотненного грунта.

Вытрамбование котлованов производят в соответствии с технологической картой. Очередность вытрамбования котлованов и схему движения механизма назначают с таким расчетом, чтобы обеспечивалось бетонирование фундаментов не позднее чем через 1 2 сут. после окончания вытрамбования с учетом расстояния между трамбуемой и бетонируемой захватками не менее 10 м в целях сохранения свежеуложенного бетона от сотрясения в течение 3 сут.

При расстояниях в свету между отдельными фундаментами менее 0,8 bср (bср - средняя ширина фундамента) котлованы вытрамбовываются через один. Вытрамбование пропущенных котлованов производится не менее чем через 3 сут после бетонирования ранее вытрамбованных котлованов.

Вытрамбование котлованов с одной стоянки производится сразу на всю глубину с точностью 5 см. Высоту сбрасывания трамбовки назначают из условия, чтобы величина погружения трамбовки за одно c6pасывание не превышала 0,15hd; (hd - глубина котлована), исключалось засасывание трамбовки и сохранялись стенки котлована. Для доуплотнения дна котлована последнее сбрасывание производят с высоты 1 м.

Вытрамбование котлованов в переувлажненных пылевато-глинистых грунтах предусматривается через подсыпку пылевато-глинистого грунта оптимальной влажности толщиной, равной 0,56 bТр.ср (bТр.ср - ширина трамбовки). Размеры подсыпки в плане должны быть на 0,3-0,5 м больше размеров котлована. Если фундаменты располагаются на расстоянии менее 4 м один от другого, то подсыпка устраивается в виде сплошного слоя с уплотнением до рd = 1,55...1,6 т/м катками, тракторами или груженым автотранспортом.

Для предотвращения засасывания трамбовки высота ее сбрасывания вначале должна быть не более 3- 5 м, а затем снижаться до 1,5-2,5 м, а в процессе трамбования подсыпать на дно котлована песок, щебень или маловлажный пылевато-глинистый грунт.

При вытрамбовании котлованов в песчаных грунтах создают по стенкам котлованов оболочки из пылевато-глинистого грунта, которые исключают обрушение стенок котлованов и препятствуют поступлению воды в котлован.

Втрамбование жесткого материала для создания уширенного основания производится сразу же после вытрамбования котлована на проектную глубину. Объем порции жесткого материала назначается из расчета заполнения котлована на высоту 0,6-1,2 м. При втрамбовании жесткого материала трамбовку сбрасывают с высоты 4-8 м. Если грунт осыпается со стенок котлована, то высоту сбрасывания снижают до 3-4 м. В процессе вытрамбования котлованов и втрамбования жесткого материала строят график понижения дна котлована (рис.31).

Рис.31. Понижение дна котловина при вытрамбовании котлована:

1 - кривая вытрамбованного котлована, 2 - подсыпка жесткого материала, 3 - кривая жесткого материала

Приемка котлованов производится на основе исполнительных схем.

Монолитные фундаменты бетонируются сразу же после приемки котлованов. Перед бетонированием устанавливают арматурные каркасы, опалубку стаканной части и закрепляют закладные детали и анкерные болты (рис.32).

Рис.32. Установка опалубки стакана и арматурного каркаса в котлован:

1 - рама, 2 - опалубка стакана, 3 - штыри, 4 - арматурный каркас, 5 - котлован

Бетонирование фундаментов производится враспор до заранее установленных отметок на стенках котлованов или опалубке.

При устройстве сборных фундаментов котлован вытрамбовывают на 2-3 см меньше размера блока по горизонтальным сечениям и на 0,1hd по высоте, а затем в котлован устанавливается и забивается сборный железе бетонный блок до проектной отметки.