Крепление стен котлованов

Фундаменты мелкого заложения применяют преимущественно в опорах расположенных на суходолах или в пойме реки, а также на местности покрытой водой при близком залегании прочных грунтов. В сухих и устойчивых маловлажных грунтах разработку котлована ведут без крепления боковых граней (рисунок 1.7), придавая им уклон в соответствии с таблицей 1.2.

1 - нагорная канава; 2 - очертание фундамента; 3 - склад грунта для засыпки пазух котлована; b - заложение откоса котлована; h - высота откоса

Рисунок 1.7 - Котлован с откосами без креплений

Таблица 1.2 – Крутизна откосов в котлованах без крепления стен

Виды грунтов	Крутизна откоса (отношение его высоты к заложению) при глубине котлована, м
1,5
Насыпные неуплотненные Песчаные и гравийные Супесь Суглинок Глина Лёссы и лессовидные	1:0,67 1:0,5 1:0,25 1:0 1:0 1:0	1:1 1:1 1:0,67 1:0,5 1:0,25 1:0,5	1:1,25 1:1 1:0,85 1:0,75 1:0,5 1:0,5

Примечание - При напластовании различных видов грунтов крутизну откосов для всех пластов надлежит назначать по наиболее слабому виду грунта.

При отсутствии креплений земляные работы и кладку фундамента нужно производить, возможно, быстрее, не допуская намокания откосов и их сползания. От притока поверхностных дождевых вод котлован защищают с нагорной стороны канавами или кюветами. В случаях переувлажнения откосов от дождя или снега и появления сползания работы прекращаются до полной стабилизации грунта или выполнения крепления стен. Для сохранения устойчивости откосов строительные материалы, механизмы и прочие временные нагрузки располагают не ближе 1 м от бровки котлована, за пределами призмы обрушения. Устройство котлована с откосами характеризуется простотой технологии, но при этом значительно увеличивается объем земляных работ, что при глубоких фундаментах с небольшими размерами может привести к неоправданным затратам. Кроме того, в стесненных условиях строительной площадки, например, при близко расположенных зданиях или сооружениях, разработка котлована с откосами может быть невозможной.

Котлованы с вертикальными гранями разрабатывают с применением креплений, предохраняющих грунт от обрушения.

В сухих и маловлажных грунтах применяют простейшее закладное крепление (рисунок 1.8, а). Разработка котлована с закладным креплением не обеспечивает водонепроницаемости ограждения и применяется при отметке дна котлована выше уровня грунтовых вод или при незначительном их притоке в устойчивых грунтах. Прочность досок забирки, стоек и распорок должна быть достаточной для восприятия давления окружающего грунта, в том числе и оттаивающего мерзлого, если это может произойти за время подготовки.

Закладные доски забирки по мере углубления котлована заводят за стойки снизу, а стойки периодически заменяют более длинными. Стойки раскрепляют распорками, поддерживаемыми башмаками и скобами. Такой вид крепления применяют при ширине котлована до 4 м.

а - простое закладное крепление; б - анкерное закладное крепление;

1 - распорка; 2 - бобышка; 3 - стойка; 4 - забирка из досок (горбыля); 5 - свая; 6 – анкерная свая; 7 - тяж из проволоки или прокатной стали. Размеры в сантиметрах

Рисунок 1.8 - Конструкция закладного крепления

При большей ширине котлована, возникает сложность в постановке распорок. В этом случае рекомендуется использовать закладное анкерное крепление (рисунок 1.8, б), в котором стойки заменены сваями. Сваи погружают в грунт до разработки котлована на глубину ниже дна котлована не менее 1 м. Головы свай закрепляют за анкеры.

Вместо деревянных свай можно забивать стальные двутавровые балки, за полки которых в процессе разработки грунта закладывают доски. После устройства фундамента и засыпки пазух двутавры извлекают из грунта для повторного использования.

Расстояние между стойками и распорками, а также сечения стоек, распорок и досок определяется расчетом на прочность и устойчивость. Элементы закладного крепления рассчитывают на горизонтальное давление грунта р _z и оборудования, размещенного на призме обрушения р ₀. Горизонтальное нормативное давление грунта на глубине Z (рисунок 1.9) определяется по формуле:

где g - плотность грунта, кН/м³ (тс/м³);

Z - расчетная высота слоя грунта, м;

j - угол внутреннего трения грунта.

Рисунок 1.9 - Расчетная схема закладного крепления

Равномерно распределенную нагрузку от оборудования, расположенного на призме обрушения, заменяют эквивалентным по весу слоем грунта.

Равномерно распределенная по длине нагрузка на нижнюю доску в уровне дна котлована глубиной h будет иметь величину:

,

где b - ширина доски, м;

p_h - горизонтальное давление грунта на глубине h, кН/м² (тс/м²);

g_f - коэффициент надежности по нагрузке.

Наибольший изгибающий момент M_d от давления грунта в середине пролета доски забирки с учетом неразрезности определяют по формуле:

.

Расчет доски на прочность производят исходя из условия:

,

где W_nt - момент сопротивления ослабленного сечения;

R_db - расчетное сопротивление древесины изгибу, МПа (кгс/см²);

m - коэффициент условий работы.

Задаваясь толщиной доски, при известной ее ширине, определяют расстояние l между стойками:

.

Стойки закладного крепления рассчитывают на изгиб как неразрезные балки, находящиеся под действием бокового давления собственного веса грунта и временной нагрузки, расположенной на поверхности грунта вблизи крепления.

Расстояния между осями распорок по высоте принимают такими, при которых напряжения в опасных сечениях стойки не превышают ее расчетное сопротивление изгибу:

,

здесь M’_db, W’_nt - момент сил и момент сопротивления стойки.

Распорки проверяют на центральное сжатие по формуле:

,

где N_d - осевое усилие в распорке, Н (кгс);

A_d - площадь сечения распорки, см², принимаемая в соответствии с рекомендациями СНиП 2.05.03-84;

j - коэффициент продольного изгиба;

R_ds - расчетное сопротивление осевому сжатию, МПа (кгс/см²).

При разработке котлована на акватории, а также в грунтах, насыщенных водой, необходимо не только укрепить стены котлована, но и защитить его от затопления водой. Для этого применяют ограждения в виде деревянных или металлических стенок из шпунтовых свай.

Ограждение из деревянного шпунта устраивают при малых глубинах его погружения в грунт (до 6 м) и отсутствии включений в виде камней, крупного гравия, затонувших деревьев и т.п.

Деревянный шпунт делают из досок толщиной до 8 см или брусьев толщиной от 10 до 24 см. По условиям устойчивости при забивке гибкость шпунтины не должна превышать 150, примерно такую гибкость имеет шпунт, толщина которого (в см) равна его удвоенной длине (в м). Рекомендуемое соотношение размеров сечения различных типов деревянного шпунта приведены на рисунке 1.10.

Для обеспечения водонепроницаемости ограждения шпунтины делают с гребнем и пазом. Шпунтины из отдельных досок толщиной от 4 до 8 см делают с треугольной формой гребня и паза (рисунок 1. 10, а). При отсутствии необходимого размера досок шпунтину составляют из трех досок толщиной не менее 2,5 см каждая, сплачиваемых по длине гвоздями и болтами (рисунок 1.10, б). Составные шпунтины имеют прямоугольный гребень и паз, получаемые смещением средней доски относительно крайних.

а - досчатого; б - составного из досок; в - брусчатого

Рисунок 1.10 - Поперечные сечения деревянного шпунта

Брусчатые шпунтовые сваи делают с прямоугольным гребнем и пазом (рисунок 1.10, в) шириной равной 1/3 толщины бруса, и высотой не более 5 см.

Для большей плотности шпунта и ускорения его забивки применяют пакетные шпунтовые сваи (рисунок 1.11), состоящие из двух-трех брусчатых шпунтин, соединенных скобами. Скобы ставят в противоположных направлениях под углом 45º через 100…150 см, по концам пакета две-три скобы ставят через 50 см. Скобы утапливают в древесину заподлицо с поверхностью, с целью обеспечения их сохранности при погружении шпунта. Заострение пакетных шпунтовых свай делают общим на весь пакет.

Головы шпунтин срезают перпендикулярно их продольной оси и объединяют бугелем прямоугольной формы, а концы заостряют на правильный клин длиной от одной (для тяжелых грунтов) до трех (для легких грунтов) толщин шпунта. Грань клина со стороны гребня скашивают для обеспечения плотного прижатия забиваемого шпунта к ранее погруженному в грунт, забивку шпунта всегда ведут гребнем вперед.

а - плоская; б - угловая; 1 - бугель; 2 - скоба; 3 - нагель.

Размеры в сантиметрах

Рисунок 1.11 - Конструкция пакетных деревянных шпунтовых свай

Конструкция деревянного шпунтового ограждения приведена на рисунке 1.12. Проектное положение шпунтин при погружении их в грунт обеспечивается наружными и внутренними направляющими схватками, прикрепленными болтами к маячным сваям диаметром от 18 до 26 см. Маячные сваи ставят через 2…3 м по длине шпунтовой стенки и забивают на глубину 1…2 м ниже шпунта. В качестве направляющих схваток используют пластины диаметром не менее 22 см или брусья сечением не менее 14×14 см. Расстояние между направляющими, равное толщине шпунтин, выдерживают прокладками, которые снимают вместе с болтами крепления, освобождая место для установки очередной шпунтины.

Перед снятием прокладки направляющие брусья прикрепляют к ближайшей забитой шпунтовой свае, а после забивки очередной шпунтины снятые болты крепления ставят на место. Деревянные шпунтины до забивки рекомендуется вымачивать в воде в течение 10…15 суток, в противном случае при набухании древесины шпунтовая стенка может деформироваться.

Основное достоинство деревянных шпунтовых ограждений - простота изготовления. К недостаткам в первую очередь нужно отнести невозможность забивки шпунтин в плотные грунты, ограниченную длину шпунтин (6…8 м) и относительно малую прочность.

1 - маячные сваи; 2 - направляющие схватки; 3 - временные прокладки; 4 - рядовые шпунтины; 5 – угловая шпунтина; 6 - направление забивки шпунтовой стенки

Рисунок 1.12 - Конструкция деревянного шпунтового ограждения

Ограждение из стального шпунта устраивают при глубине погружения в грунт более 6 м, а также при меньших глубинах в плотных глинистых и гравелистых грунтах или при глубине воды в реке более 3 м. Металлический шпунт - инвентарное имущество строительной организации, после устройства фундамента его извлекают для повторного использования.

Отечественные заводы прокатывают стальной шпунт плоского и корытного профиля (рисунок 1.13) длиной от 8 до 22 м. При необходимости шпунтины можно наращивать, перекрывая стыки накладками длиной не менее 600 мм со сварными или болтовыми соединениями, и доводить их длину до 35…40 м. Совпадение и прямолинейность замков наращиваемых шпунтин обеспечивают установкой на время устройства стыка отрезков шпунта длиной по 2…3 м. Отрезки заводят в оба замка соединяемых шпунтин.

Геометрические характеристики прокатных шпунтовых профилей применяемых в мостостроении приведены в таблице 1.3.

Для ограждения котлованов мостовых опор используется главным образом шпунт корытного профиля (ШК-1, ШК-2). При больших нагрузках целесообразно использовать шпунт типа «Ларсен». Шпунт плоского профиля (ШП-1 и ШП-2) следует применять преимущественно для образования цилиндрических стенок ограждения искусственных островков.

Замки, которыми шпунтины соединяются между собой, обеспечивают работу шпунтовой стенки на растяжение и делает возможным применение стального шпунта в самых разнообразных условиях.

а - плоский; б - корытный; в - типа "Ларсен"; г - угловая шпунтина

Рисунок 1.13 - Профили стальных прокатных шпунтов

Таблица 1.3 - Геометрические характеристики прокатной стали шпунтового профиля

Профиль

Тип профиля

Размеры профиля, мм

Масса 1 м шпунтовой сваи, кг

Площадь сечения профиля А, см^2

Момент инерции I x, см^4

Момент сопротивления Wx, см^3

В

Н

d

t

сваи

1 м стенки

сваи

1 м стенки

Плоский (рисунок 1.13,а)

ШП-1

188,5

ШП-2

Корытный (рисунок 1.13,б)

ШК-1

62,5

ШК-2

160,5

Тип «Ларсен» (рисунок 1.13,в)

Ларсен-IV

204,5

14,8

93,3

Ларсен-V

127,6

До начала забивки проверяют правильность и прямолинейность замков, протаскивая по ним шаблон из обрезка шпунта длиной 2 м. Концы шпунтин обрезают строго перпендикулярно к их продольной оси. Низ паза замка шпунтины, переднего по ходу забивки, закрывают стальной пробкой для предохранения от заполнения его грунтом. Перед началом забивки очищенные замки рекомендуется смазать солидолом. Смазка улучшает погружение и извлечения шпунта, а также повышает водонепроницаемость замков. В практике для этой цели часто применяют смазку из отработанного машинного масла с загустителем из сухого глинистого порошка. Водонепроницаемость стального шпунта обеспечивается заиливанием замков, а также конопаткой их по мере удаления грунта и воды из котлована.

На суше, а также при небольшой глубине воды в русле реки стальной шпунт забивают в направляющих схватках, закрепленных на маячных сваях (рисунок 1.14). Для обеспечения вертикального положения шпунтин схватки располагают по высоте в два яруса. Зазор между схватками обеспечивается деревянными временными прокладками. Шпунт рекомендуется погружать пакетами из двух-трех шпунтин, объединяя их общим наголовником.

Конструкция ограждений без креплений в виде свободно стоящей стенки целесообразна только для неглубоких котлованов.

В ограждениях с внутренними распорными креплениями количество ярусов креплений назначается по условиям прочности шпунта и его устойчивости. При размещении ярусов необходимо исходить из условий наилучшего использования материала шпунта. Элементы креплений должны быть удобны для их монтажа.

Ограждения прямоугольного очертания раскрепляют горизонтальными поясами (обвязками) по внутреннему контуру котлована и системой поперечных распорок и угловых подкосов. Расстояние между распорками креплений назначают с учетом способа разработки котлована и вида применяемых механизмов.

1 - маячные сваи; 2 - направляющие схватки; 3 - угловая шпунтина; 4 - уголковая накладка; 5 – стальной шпунт; 6 - прокладка

Рисунок 1.14 - Конструкция стального шпунтового ограждения

В руслах рек при глубокой воде (4…5 м и более), а также при необходимости размещения строительного оборудования применяют пространственные каркасы (рисунок 1.15) которые состоят из двух или более плоских ферм, соединенных в плоскостях распорок раскосами и стойками. Такую конструкцию собирают на берегу, доставляют на плавучих средствах (понтонах, баржах, плашкоутах) к месту возведения фундамента, и закрепляют за маячные сваи. После этого погружают шпунтины, предварительно выставляя из них стенку между маячными сваями или по всей длине стороны ограждения. В процессе погружения следят за правильным положением шпунтин, отклонения их из плоскости стенки выправляют лебедками. Веерность (отклонение от вертикали в плоскости стенки) исправляют распорными домкратами или клиньями. Если веерность сохраняется, то при замыкании ряда ставят клиновидные шпунтовые сваи, изготовленные из нормальных шпунтин. Угловые шпунтовые сваи составляют из двух целых шпунтин или одной разрезанной вдоль шпунтины и соединенной уголковыми накладками. Резку шпунтины во избежание ее коробления выполняют отдельными участками длиной по 0,8…1,0 м, оставляя между ними свободные пространства такой же длины, на которых делают рез во вторую очередь.

Рисунок 1.15 - Схема пространственного каркаса

Верх шпунтового ограждения должен быть на 0,2…0,4 м выше поверхности грунта и не менее чем на 0,7 м выше рабочего уровня воды в реке. За рабочий уровень воды принимают возможный уровень повторяемости один раз в десять лет, определяемый по гидрогеологическим данным за период производства работ в котловане.

Глубину погружения шпунта в грунт определяют из условий устойчивости шпунтовой стенки против ее опрокидывания и устойчивости грунта против выпирания в котлован при водоотливе. Во всех случаях величина погружения шпунта ниже дна котлована должна быть не менее 1 м в связных, крупнопесчаных и гравелистых грунтах и не менее 2 м в мелкопесчаных и плывунных грунтах.

Расчет на прочность шпунтового ограждения без распорного крепления заключается в проверке его устойчивости на опрокидывание, зависящей от глубины забивки шпунта ниже дна котлована h (рисунок 1.16, а).

Величину h определяют из равенства опрокидывающего момента М_u и удерживающего момента М_z, создаваемых силами соответственно активного давления Е_a и пассивного Е_n грунта относительно точки А:

или .

Коэффициент условия работ m зависит от типа ограждения и гидрологических условий. Для свободно стоящих стенок принимают m = 0,95.

а - без креплений; б - с одним ярусом крепления; "В"- условная жесткая опора для расчетной проверки прочности шпунта

Рисунок 1.16 - Схемы к расчету шпунтовой стенки

В связных грунтах активные P_a и пассивные P_n давления вычисляются с учетом сил сцепления. В несвязных грунтах сила сцепления не учитывается.

При коэффициентах активного и пассивного давлений грунта, равных соответственно:

, ,

наибольшие ординаты давлений грунта будут иметь величины:

, ,

здесь j - угол внутреннего трения грунта;

g - удельный вес грунта с учетом взвешивающего действия воды;

с - сила сцепления.

Остальные обозначения даны на рисунке 1.16.

Окончательно уравнение равновесия моментов будет иметь вид:

.

Требуемую глубину забивки шпунта находят, решая это уравнение относительно h. Рекомендуется вычисленное значение h увеличивать на 20 %. Проверку прочности шпунта выполняют в сечении условной его заделки, принимаемой примерно на две толщины шпунта ниже дна котлована. Для этого сечения вычисляют изгибающий момент. Нормальные напряжения проверяют по условию:

,

где g_n - коэффициент надежности по назначению;

M - момент сил в сечении заделки;

R_y - расчетное сопротивление материала шпунтовой сваи изгибу;

W – момент сопротивления шпунтовой сваи в сечении заделки.

Удельный вес грунта, находящегося в воде, определяют по Формуле:

,

где g_o – удельный вес сухого грунта;

e - коэффициент пористости, равный отношению объема пор к объему минеральной части.

При разнородных грунтах, залегающих слоями, в расчетах используют средневзвешенную величину g.

В расчетах шпунтовой стенки с одним ярусом креплений (рисунок 1.16, б) при определении глубины забивки шпунта моменты М_u и М_z принимают относительно точки «О».

В практике ориентировочное значение глубины погружения шпунта ниже дна котлована h определяют по формуле:

.

Проверку прочности шпунта по нормальным напряжением от поперечного изгиба производят как разрезной балки опертой в точках «О» и «В». Точка «В» расположена на середине глубины забивки шпунта ниже дна котлована. Шпунтовая стенка при этом рассчитывается только на действие активного давления грунта и воды. Влияние нагрузки на часть стенки ниже опоры «В» не учитывается. Усилие S в распорке определяют из условия равенства нулю суммы моментов горизонтальных нагрузок относительно точки «В»:

,

где равнодействующие давлений Е_a и Е_n определяются для частей эпюр, расположенных выше опоры «В».

Расстояние Z от точки «О» до сечения шпунта, с наибольшим изгибающим моментом М _max, находят из условия, что усилие S в распорке равно активному давлению грунта, и определяется из равенства 0.5 Р_z - S = 0.

Элементы обвязки шпунтовой стенки рассчитывают, как сжато изогнутые балки (схема обвязки и силы, действующие на ее элементы, показаны на рисунках 1.17 и 1.18).

Изгибающий момент в элементе пояса обвязки определяют, рассматривая его как неразрезную балку на жестких опорах-распорках и поперечных стенках. На обвязку действует: горизонтальное давление Р, передаваемое от шпунтовой стенки, примыкающей к обвязке; вертикальное давление q от веса обустройств и оборудования, размещаемых на элементах крепления; сжимающая сила N.

Сила N, создающая в обвязке осевое усилие N_{об ,}определяется как опорная реакция от давления обвязки шпунтовой стенки, перпендикулярной рассчитываемой (рисунок 1.17).

а - крепление без подкосов; б - крепление с подкосами; в - расчетная схема распорки; 1 - обвязка; 2 - распорка; 3 – подкос

Рисунок 1.17 - Схемы крепления шпунтовых ограждений

Напряжение в сечении наиболее нагруженного элемента обвязки проверяют по формуле:

,

где N _d - наибольшее усилие в элементе обвязки;

M_y - момент сил от действия вертикальной нагрузки q;

M_x - момент сил от горизонтальной нагрузки Р;

A_nt - площадь сечения обвязки, ослабленная;

W_xnt, W_ynt - моменты сопротивления сечения элементов обвязки относительно осей Х и У;

R_ds - расчетное сопротивление древесины сжатию;

g_n - коэффициент надежности по назначению;

m – коэффициент условий работы.

Распорки рассчитывают как сжато-изогнутые стержни. Изгиб возникает от собственного веса распорок и от действия поперечной вертикальной нагрузки q (веса настилов, людей, оборудования). При определении изгибающего момента распорку рассматривают как балку с пролетом, равным расстоянию между шпунтовыми стенками (рисунок 1.18).

а - общий вид; б - в вертикальной плоскости; в – в горизонтальной плоскости

Рисунок 1.18 - Расчетные схемы обвязки шпунтового ограждения

Осевое усилие в распорке рекомендуется определять по формуле:

,

где l_л, l_п - пролеты обвязки слева и справа от рассчитываемой распорки.

Прочность распорки проверяют по формуле:

,

где M_y - изгибающий момент в расчетном сечении распорки от вертикальной нагрузки q,

,

W_xnt - момент сопротивления ослабления сечения распорки, относительно горизонтальной оси Х;

A_nt - ослабленная площадь сечения распорки;

ξ - коэффициент, изменяющийся от 1 до 0, учитывающий дополнительный момент от продольной силы вследствие изгиба элемента.

При расчете шпунтового ограждения величины: h - глубину заделки шпунта; М - изгибающий момент в шпунте; р - горизонтальное давление на обвязку от шпунтовой стенки определяют по графикам составленным ЦПКБ Главмостостроя.

В конструкции крепления должно быть предусмотрено устройство опирания обвязки и распорки для передачи вертикальной нагрузки в местах их соединения (рисунок 1.19).

1 - стальной шпунт; 2 - обвязка из швеллера; 3 - деревянные клинья; 4 - распорка; 5 – столик

Рисунок 1.19 - Деталь конструкции стального шпунтового ограждения

Дата добавления: 2014-12-29