13.2.1. Назначение крепления и требования, предъявляемые к нему

Связный грунт, как было сказано в п. 8,3, может дер­жать вертикальный откос в пределах некоторой глубины. При увлажнении такого грунта дождевыми водами сцепление в нем

313

существенно уменьшается и вертикальный откос может обру­шиться. По этой причине стенки котлованов часто делают с откосами или поддерживают креплением. Креплением стен кот­лована иногда одновременно решается вопрос об исключении притока в него подземных вод. Если в пределах поддерживае­мой призмы грунта находятся инженерные подземные коммуни­кации или на призму обрушения опираются надземные соору­жения, для исключения их подвижки крепление должно быть не только прочным, но и не иметь горизонтальных смещений.

Применяют следующие способы крепления стен котлованов: с помощью распорных креплений, с применением шпунтовых стенок или ледогрунтовых стен, путем устройства «стены в грун­те». Способ крепления выбирают в зависимости от инженерно-геологических и гидрогеологических условий площадки строи­тельства, глубины котлована и требуемой степени сохранности криродной структуры грунтов а основании.

13.2.2. Распорные крепления

К распорным относятся крепления с инвентарными рас-иорками, простые, закладные и сводчатые. Простые распорные крепления с инвентарными распорками, упирающимися в гори-вонтально (рис. 13.1) или вертикально расположенные доски, применяют для крепления стенок небольших котлованов и не­широких траншей, отрываемых выше уровня подземных вод. В связных грунтах стенку крепления делают не сплошной, в сы-яучих —- сплошной. При глубоких и больших в плане котлованах устраивают закладные крепления. Они состоят из вертикальных стальных прокатных профилей (двутавров, спаренных швелле­ров), погруженных в грунт до отрытия котлована методом за­бивки либо вибрированием или в заранее пробуренные скважи-

В)

^л _А

Рис. 13.1. Распорные креплешш

'<! — траншей; б — широкого котлоаана; ] — упорная доска; 2 — инвентарная распорка; 6 — сплошное крепление; 4 — стойки для промежуточного опирання распорок; 5 -»

Т\ ЯI* П 1*1 *1 Iflr

распорки

314

Рис. 13.2. Сплошные крепления '(план)

1 — двутавровая стойка¹, 2 —закладные до-сиг; 3 — распорка; 4 — швеллерная стойка; 5— свод из торкрет-бетона; 6 — анкер; 7 — натяжное устройство анкера

«)■

\ \

' 1 ?/////?///s/jy///1 i

ЦТ'

ны, и закладываемых между ними досок (рис. 13,2,а).В неко­торых случаях вместо досок при­меняют изготовляемые методом торкретирования сводики из рас­твора (рис. 13,2,(5) или железо­бетона. Стенки из торкрет-бетона водонепроницаемы. Такие крепления называют сводчатыми.

Для фиксации прокатных профилей между ними устанавли* вают распорки (см. рис. 13.1,5 и 13.2, а) или применяют на­клонные анкеры (рис. 13.2,6). Для уменьшения продольного изгиба в распорках при большой их длине забивают промежу­точные стойки. В этом случае распорки устанавливают с не­большим уклоном к центру котлована, чтобы промежуточные стойки не работали на выдергивание (см. рис. 13.1,6).

13.2.3. Шпунтовые стенки

При отрывке котлована ниже уровня подземных вод крепление его стенок делают не только прочным, но и плотным для исключения проникания в него воды через стенки. Иногда необходимо исключать проникание воды в котлован и через его дно. В таком случае креплением прорезают всю толщу водонос­ных грунтов, заглубляясь в слой относительно водоупорного (суглинок, глину) грунта (см. рис. 9.7). Плотное крепление

можно выполнить из деревян­ного или стального шпунта (рис. 13.3).

Деревянный шпунт, изго-тавливаемый из досок (рис. 13.3, а) или брусьев (рис. 13.3,6), применяют при не­большой глубине котлована

(не более 5 м). При большей глубине котлована часто ио пользуют стальной шпунт пло­ский (рис. 13.3, в) или корыт-< ного профиля типа «Ларсен»

Рис, 13.3, Поперечные сеченияшпунта

335

й) t =й	1. % t V	а, «—\а
	1	+ \
V) *•	•hi til (if с	\ Чг

Рис. 13.4. Схема деформации шпунтовойстенки

о — прогиб; б — поворот относительно точки О

(рис. 13.3,г). Стенка из шпунта ко-рытного профиля обладает значи­тельной сопротивляемостью на из­гиб.

Стенки из деревянного шпунта приобретают плотность вследствие разбухания древесины, а из сталь­ного шпунта становятся плотными вследствие сравнительно быстрого заиления его пазов, после чего во­да практически перестает поступать в котлован.

\

Значительное сопротивление на изгиб стенки из шпунта корытного профиля при глубине котлована до 6 м позволяет делать его без рас­порок и анкеров. При этом ниж­нюю часть стенок считают условно заделанной в грунте.

Безаикерные шпунтовые стенки чаще всего рассчитывают ме­тодом Блюма-Ломейера *, приводящим к результатам, близким наблюдаемым в натурных условиях. Иногда дополнительно проверяется устойчивость шпунтовой стенки вместе с массивом грунта на сдвиг (обычно по круглоцилиндрической поверхности скольжения, см. п. 8.3 и п. 10.2).

Рассматриваемые шпунтовые стенки способны получать зна­чительные горизонтальные смещения. Величину смещения б верха шпунтовой стенки приближенно можно представить как сумму трех слагаемых (рис. 13.4):

6 = 6, + б₂ + б₃. (13.1)

где 6i — прогиб стенки на участке АВ, определяемый как для консольной балки (рис. 13.4, а); 62+63 — смещение всей стенки б₂ и перемещение верха стенки б₃ в результате ее поворота на угол 6 (рис. 13.4, б).

Рассматривая заглубленный участок стенки АС как жесткую конструкцию, Н. К- Снитко ** получил:

6₂ + б₃ = [12/(«²)] [М (2 + ZH/t) + Q (3*/2 + 2Я)], (13.2)

_где k — значение в точке С переменного по глубине коэффициента постели грунта основания; t — глубина забивки стенки ниже дна котлована; М и Q — изгибающий момент и перерезывающая сила в точке Л; Н — глубина котлована.

*Будин А. Я. Тонкие подпорные стенки. Л.: Стройиздат, 1974. ** Снитко Н. К. Статическое и динамическое давление грунтов и расчет,подпорных стенок, Л,: Стройиздат, 1963,

316

Величину 6i вычисляют по формулам сопротивления мате­риалов. Если эпюра давления на стенку на участке АВ имеет трапециевидную форму с ординатой а\ в точке В и ординатой а% в точке А (рис. 13.4, а), то

6, = (#V120£7) (Па, + 4а₂). (13.3)

Для увеличения жесткости шпунтовой стенки, снижения воз­никающего момента и резкого уменьшения ее горизонтального смещения применяют распорки или анкеры. При глубоких кот­лованах ставят наклонные анкеры на нескольких уровнях (см. п. 13.6). При глубине котлована до 6 м часто ограничиваются постановкой горизонтального анкера, располагая его за преде­лами возможной призмы обрушения. Смещение стенок умень­шается путем предварительного натяжения анкеров.

Если шпунтовую стенку делают с одним рядом анкеров, рас­полагаемых на небольшой глубине, она испытывает, с одной стороны, активное давление, с другой — пассивный отпор грун­та (рис. 13.5).

Усилие, действующее в анкере, при необходимой глубине за­бивки будет

F_A = E_a~E_p, (13.4)

где Е_а и Е_р — активное давление и пассивный отпор, определяемые по фор­мулам (8.18) и (8.18').

Наихудшие условия для работы шпунта возникают, когда положение анкера совпадает с поверхностью грунта (рис. 13.5, в). В таком случае, составив уравнение равновесия относительно точки А, можно получить кубическое уравнение

К >4 -

О,

(13.5)

где Л„ и Хр — коэффициенты, определяемые по формулам (8.19).

В)
f 1	>		1
			т

Рис, 13.5. Эпюры давления на шпунтовую стенку с анкером

а ™* Исходная; 6 — суммарная; в — к формуле (13.5)

317

Значение hsh обычно находят последовательным приближе­нием. Длину шпунта принимают с модулем 0,5 м.

Если анкер, располагается на. некоторой глубине от поверх­ности грунта, задача решается аналогично.

При глубине котлованов более 6 м распорки или анкеры обычно приходится делать на нескольких уровнях. Наличие на разных уровнях жестких распорок или достаточно неподатли­вых анкеров уменьшает горизонтальную подвижку шпунта и, следовательно, возможность развития пассивного отпора грунта ниже дна котлована.

При отсутствии горизонтальных подвижек шпунта, строго говоря, нельзя использовать решения теории предельного рав­новесия для оценки взаимодействия грунта и ограждающей конструкции. В этих случаях давление на ограждения, включая шпунтовую стенку, зависит от податливости крепления (распо­рок, анкеров), жесткости самой стенки, времени постановки креплений, колебаний температуры, конструкции крепления и, конечно, свойств грунта.

Нижний ряд распорок устанавливают на высоте 2...2,5 мнад дном котлована так, чтобы они как можно меньше мешали вы­полнению работ в нем.

При неглубокой забивке шпунта ниже дна котлована рас­сматривают возможность выпора грунта в котлован с учетом гидродинамического давления восходящего потока подземных вод. Процесс выпора развивается со смещением шпунтовой стенки в сторону котлована и выдавливанием грунта как при потере устойчивости грунтов в основании {см. п. 8.2).

13.2.4. Искусственное замораживание грунтов

6 мерзлом состоянии грунты обладают водонепроницае­мостью и значительной прочностью. Способ искусственного за­мораживания грунтов основан на том, что некоторые жидкости, Испаряясь при отрицательной температуре, отнимают тепло от окружающей среды. Для реализации этого способа такую жид­кость используют в качестве хладагента в испарителе 4 (рис. 13.6), создавая условия для ее испарения и тем самым для понижения температуры в испарителе. Образовавшиеся пары хладагента (газ) засасывают компрессором 1, При сжа­тии в компрессоре температура газа повышается. Для превра­щения сжатого газа в жидкость его охлаждают водой (реже воздухом) в конденсаторе 2 до температуры конденсации жид-Кости при данном давлении. Сконденсированная жидкость на­правляется под давлением в змеевик испарителя 4 через ре­дукционный клапан 3, который пропускает очень тонкую струю жидкости. Благодаря работе компрессора за редукционным клапаном поддерживается низкое давление, при котором про-

S18

Рис. 13.6, Схема замораживающей установки

исходит испарение жидкости, сопровождающееся отбором неко*. торого количества тепла от испарителя. Далее цикличность процесса повторяется.

Змеевик, в котором испаряется жидкость, окружают рассо* лом. Температура последнего будет понижаться приблизитель* но до температуры испарения жидкости в испарителе. В каче­стве рассола используют раствор хлористого кальция, который может замерзать лишь при низкой температуре (от —26 до —55°С в зависимости от концентрации раствора).

Охлажденный рассол насосом 5 нагнетают в герметичную колонку 6, установленную в грунте. Благодаря отрицательной температуре рассола температура грунта вокруг колонки пони­жается. Когда она уменьшится до значения, соответствующего началу замерзания грунта, последний замерзает, образуя ци­линдр мерзлого грунта 7. При этом температура рассола, ото-бравшего часть тепла от грунта, несколько повысится. Для ох-< лаждения рассол опять направляют в испаритель, таким обра­зом рассол-хладоноситель все время циркулирует.

Если вокруг котлована разместить с одинаковым шагом (обычно около 1 м) систему герметичных колонок и осуществ­лять процесс охлаждения грунта, то через несколько недель цилиндры мерзлого грунта сольются друг с другом и образуют водонепроницаемую ледогрунтовую стену.

В качестве хладагента чаще всего используют аммиак, реже —фреон, жидкий азот или диоксид углерода.

Искусственное замораживание грунтов дороже устройства шпунтового крепления, поэтому первый способ применяют в ус» ловиях, когда нельзя использовать шпунт: например, при нали< чии в толще грунтов валунов или прослоек водоносной скаль* ной породы. Кроме того, ледогрунтовые стены устраивают при необходимости обеспечения водонепроницаемости грунтов на относительно большой глубине (несколько десятков метров),

Способ устройства ледогрунтовых стен имеет и недостаток. Известно, что при промерзании пылевато-глинистых грунтов они могут испытывать морозное пучение, т. е» увеличиваться

319

в объеме (см. п. 3.3). Морозное пучение сопровождается под* нятием поверхности грунта со всеми сооружениями, попадаю­щими в зону его влияния. Иногда при глубоких ледогрунтовых стенах происходит внутреннее пучение, т. е. пучение замерзаю­щего грунта компенсируется уплотнением, талого грунта, окру­жающего эти стены.

Наиболее неблагоприятные последствия пучения грунта проявляются в процессе оттаивания ледогрунтовой стены, В грунте, подвергавшемся пучению, в т. ч. и внутреннему, в процессе оттаивания развиваются просадочные свойства. Как правило, такой грунт после оттаивания имеет значительно боль­шую сжимаемость и -меньшее сопротивление сдвигу. По этой причине надо избегать применения искусственного заморажи­вания грунтов для крепления стенок котлованов ниже подошвы возводимых фундаментов, а также около фундаментов суще­ствующих сооружений.

13.2.5. «Стена в грунте»

Бетонные и железобетонные конструкции фундаментов стали возводить методом «стена в грунте» сравнительно не­давно. Сущность такого метода сводится к следующему. В грун­те отрывают участок глубокой траншеи шириной 50...80 см. Для поддержания стен траншеи вертикальными ее в процессе от­рывки заполняют раствором мелкодисперсной тиксотропной глины (обычно бентонитовой). В пределах сделанного участка траншеи бетонируют стену-фундамент подводным способом при помощи бетонолитной вертикально перемещающейся трубы. Трубу поднимают по мере заполнения траншеи бетонной смесью до тех, пор, пока участок траншеи полностью не будет забето­нирован. Для получения железобетонной стены в траншею пе­ред бетонированием опускают арматурный каркас, выполнен­ный из арматуры периодического профиля. Иногда стенку де­лают из опускаемых в траншею сборных железобетонных эле­ментов, имеющих выпуски арматуры. Стыки этих элементов бетонируют также с помощью бетонолитной трубы.

При устройстве подземной части зданий или иных сооруже­ний рассмотренным методом образующаяся «стена в грунте» одновременно может служить креплением стен котлована, сте­ной подземных этажей и фундаментом (рис. 13.7).

Если «стена в грунте» предназначается одновременно для использования в качестве фундамента, ее доводят до слоя плот­ного грунта, который способен воспринять давление, передавае­мое ее подошвой и боковыми поверхностями на основание. Под таким фундаментом не должен оставаться шлам от разработки грунта, кроме того, при его устройстве нельзя допускать выпа« дания осадка из раствора глины на дно траншеи.

зга

й)

Рис. 13.7, Устройство крепления стен котлованов методом «стена в грунте»

Устойчивость сравнительно тонкой «стены в грунте» 1 при отрывке котлована под ее защитой обеспечивается обычно на­клонными анкерами 2 (см. рис. 13.7, а) или иногда распор­ками 3. В качестве распорок можно использовать поэтажные перекрытия подземной части сооружения 5 (см. рис. 13.7, б). Для этого «стену в грунте» устраивают по всему периметру со­оружения, а внутренние колонны бетонируют в скважинах или глубоких щелях подводным способом. Затем отрывают котло­ван глубиной 2...3 м и делают первое иадподвалыюе перекры­тие. Под этим перекрытием грунт разрабатывают на высоту второго подземного этажа. Разработку грунта осуществляют бульдозерами, которые перемещают грунт к специальным от­верстиям, устраиваемым в перекрытиях. Через отверстия грунт извлекают либо ковшом, загружаемым бульдозерами, либо грейфером 4 (рис. 13.7,6). По мере разработки грунта делают следующие перекрытия 5, служащие распорками «стены в грунте». Таким образом все подземное сооружение возводят ■сверху вниз.

При возведении «стены в грунте» в.верхней части отрывае­мой траншеи делают форшахту, которая задает землеройному ■механизму требуемое направление. В последнее время для из-тотовления глубоких траншей при устройстве «стены в грунте» стали иногда применять водоструйную технологию: горизонтально направленная струя воды под давлением до 10 МПа разрабатывает (размывает) грунт, образуя требуемую щель, которая затем заполняется бетоном.

Устойчивость стен глубоких траншей до бетонирования обе­спечивается противодействием раствора глины, который систе-

Рис. 13.8. Распределение давления рас­твора глины и давления грунта по глу­бине без учета пространственной рабо­ты грунта

321

11 Б. И, Далматов

Рис. 13.9. План «стены в грунте» в виде секущихся скважин

1, 2, 3, 4-—скважины бурения 1-, 2-, 3- и 4-й очередей

матически доливают почти до краев форшахты. Плотность (объемную массу) раствора бентонитовой глины принимают 1,05...1,15 г/см³, а глин, содержащих пылеватые частицы,— 1,1...1,3 г/см³. В таких условиях при плоской задаче давление грунта с учетом давления подземных вод (сплошная линия на рис. 13.8) будет больше давления раствора (пунктирная ли­ния), т. е. устойчивость массива грунта не обеспечивается. Од­нако, несмотря на превышение давления грунта, обрушение стен траншеи не происходит благодаря его пространственной работе.

Молотая бентонитовая глина, доставляемая в бумажных мешках, относительно дорога, поэтому стремятся использовать местные глины. Однако для их диспергирования приходится применять дорогие химические реактивы. При выборе местных глин надо уделять особое внимание вопросу, будут ли из рас­твора глины выпадать на дно траншеи песчаные и пылеватые частицы, так как образование здесь шлама приведет в даль­нейшем к развитию значительных осадок сооружения.

Если поверхность грунта у изготовляемой щели загружена, например, в случае отрывки глубокого котлована около суще­ствующего здания, «стену в грунте» можно сделать путем бу­рения и заполнения бетоном секущихся скважин. Для этого вначале под защитой бентонитового раствора бурят две сква­жины 1 (рис. 13.9) с шагом, равным полутора диаметрам. После заполнения этих двух скважин с помощью оётонолйтной тру­бы бетонной смесью и схватывания бетона, но до набора им значительной прочности бурят скважину ■ 2 между ними и т. д. Скважины постепенно образуют сплошную стену. Это позволяет отрывать глубокие котлованы вблизи тяжёлых со­оружений.

13.3. Осушение котлованов

13.8.1. Водоотлив из котлована

Для возведейия фундаментов и других подземных кон­струкций часто приходится отрывать котлованы ниже уровня подземных вод. Исключать приток воды в котлован путём

322

устройства водонепроницаемых стен, заглубляемых до относи­тельного водоупора, далеко не всегда целесообразно из-за их большой стоимости, а иногда в этом и нет необходимости, на­пример в глинах и суглинках, где приток воды обычно незна­чителен. В таких случаях применяют открытый водоот­лив — откачку воды из котлована.

С этой целью по периметру котлована устраивают дренаж­ную канавку (или закрытый дренаж) для отвода воды в при­ямки, из которых затем ее откачивают. Вода не должна покры­вать дно котлована, так как это может привести к постепен­ному набуханию грунтов в основании.

Открытый водоотлив применяют и при относительно водо­непроницаемом креплении стенок котлована (например, шпун­товой стенкой). При таком креплении откачка воды особенно необходима в первое время — до заиливания швов шпунтовой стенки.

Особенно тщательно следует отводить воду из котлована при устройстве гидроизоляции подвальных этажей. С этой целью часто делают пластовый дренаж, из которого воду от­водят в дренажные трубы, обычно расположенные по пери* метру котлована.