Тема: Фундаменты глубокого заложения

Лекция № 14.

Ключевые слова: Шпунтовые стенки, пассивный отпор,реактивное давление грунта, анкеров,искусственное замораживание грунтов, электроосмоса, открытый водоотлив, глубинным водоотливом,депрессивная кривая, иглофильтры.

В настоящее время применяется несколько видов фунда­ментов глубокого заложения: оболочки, опускные колодцы, кессоны. Близки к ним и фундаменты, устраиваемые спосо­бом «стена в грунте».

Фундаменты из оболочек. Фундаменты из оболочек устраиваются следующим обра­зом. Оболочки в виде железобетонных труб диаметром 0,8...3,0 м с помощью мощных вибромолотов или низкочастот­ных вибропогружателей опускаются в грунт на глубину 3... 6 м. Для дальнейшего погружения оболочки из нее извле­кают грунт и снова приводят в действие вибропогружатель. После погружения одного звена оболочку наращивают с по­мощью болтов. Таким образом оболочки погружаются на глу­бину 30 м и более. Извлечение грунта при погружении оболочки производят с помощью эрлифта или гидроэлеватора, трубы которых выводят через отверстие в наголовнике под вибропо­гружателем.

Железобетонные звенья оболочек устраивают длиной 6...10 м (в зависимости от диаметра оболочки). Армируются они продольными стержнями и по спирали. При погружении оболочки в агрессивную среду для повышения их трещиностойкости обязательно предварительное напряжение армату­ры. Стенки оболочки бетонируются бетоном марки не ниже М400, толщина стенок 12... 20 см. При достижении проект­ной отметки (скальной породы и др.) производят бурение по­роды диаметром, равным внутреннему диаметру оболочки, и скважину заполняют бетоном. В нескальных грунтах при не­обходимости устраивают уширение оболочки с помощью камуфлетных взрывов или разбуриванием. Образовавшиеся по­лости заполняют бетонной смесью.

Процесс заполнения оболочки бетоном состоит из сле­дующих этапов. На первом этапе после удаления шлама ме­тодом подводного бетонирования укладывают бетонную смесь толщиной 2... 5 м. На втором (после набора бетоном требуе­мой прочности) из оболочки откачивают воду и укладку бе­тонной смеси выполняют насухо. Оболочки являются состав­ной частью столбчатых фундаментов, опирающихся на проч­ный грунт (чаще всего на скалу). С ростверком они соеди­няются с помощью арматуры. Ростверки у фундаментов из оболочек могут быть низкими и высокими. При отсутствии горизонтальных сил или их незначительной величине устраи­вают низкий ростверк, при больших горизонтальных или на­клонных силах — высокий.

В качестве основного недостатка устройства фундаментов из больших оболочек следует отметить возникновение значи­тельных колебаний, которые при забивке распространяются в радиусе иногда сотен метров, поэтому их не рекомендуется устраивать в застроенной части города.

Опускные колодца и кессоны. Опускные колодцы устраиваются при строительстве под­земных сооружений: насосных станций, водозаборов, скиповых доменных печей, установок непрерывной разливки стали, под­земных гаражей, фундаментов опор мостов и т. д.

Устройство опускного колодца заключается в следующем. На поверхности грунта вначале выполняют кладку колодца на определенную высоту, затем внутри его разрабатывают грунт под ножом. Утрачивая опору, колодец под влиянием собственного веса опускается до тех пор, пока не заглубится в незатронутый разработкой грунт. Далее наращивают кладку колодца, и эту работу повторяют вновь. Все это выполняется до тех пор, пока не будет пройдена толща слабых грунтов и коло­дец не достигнет проектной отметки заложения опоры, после чего нижнюю часть вертикальной полости заполняют бетонной смесью (рис. 14.1.).

В настоящее время устраивают опускные колодцы диамет­ром 6...45 м и глубиной до 40...45 м. Применение метода устройства фундаментов в виде опускных колодцев является весьма целесообразным, так как не требуется крепление сте­нок котлована, уменьшается объем земляных работ, снижает­ся расход материалов по сравнению с обычными фундамен­тами. Опускные колодцы подразделяются по: 1) форме ко­лодца в плане — на круглые, прямоугольные, квадратные и с закругленными торцовыми стенками (рис. 14.2).

Из приведен­ных вариантов предпочтение (по возможности) отдается круг­лой форме, так как в этом случае кладка колодца лучше вос­принимает давление от грунта и, следовательно, обеспечива­ет возможность равномерной подработки под стенками при опускании; 2) материалу — на железобетонные, бетонные, метал­лические, каменные и кирпичные; 3) продольному сечению — чаще всего применяется ступен­чатая формаколодца, позволяю­щая уменьшить силы трения при опускании колодца. В нижней части колодца устраивают нож. Его назначение — облегчить раз­работку грунта под стенками ко­лодца путем выдавливания и за­щитить кладку при преодолении препятствий. Чаще всего нож опускного колодка выполняется железеботонным, усиленным специальным армированием.

Грунты в колодцах разраба­тываются различными способа­ми в зависимости от инженерно-геологических условий строитель­ной площадки, размеров колод­цев в плане. Обычно для этого применяют грейферы или экска­ваторы с бульдозерами, эрлиф­ты.

Рис.14.1. Этапы устройства фундаментов из опускных колодцев:

а —возведение нижней части колодца на поверхности грунта; б — выемка грунта с помощью грейфера; в — заполнение ко­лодца бетоном

При высоком стоянии грунто­вых вод разработку грунта про­изводят грейфером или эрлифтом, поддерживая уровень воды в опускном колодце несколько вы­ше уровня грунтовых вод, по­скольку это обеспечивает отвод наплывающего грунта.

Наиболее рациональным способом погружения опускного колодца является его опускание в тиксотропной рубашке. Этот способ основан на использовании свойств глинистого тик­сотропного раствора удерживать в равновесии вертикальные грунтовые стенки траншей. Сущность этого способа заключа­ется в том, что полость между грунтом и поверхностью ко­лодца заполняется тиксотропным глинистым раствором, уро­вень которого все время поддерживается несколько выше по­верхности земли (³0,5 м). Для этого вокруг колодца уста­навливается форшахта из обвалованных досок или металла высотой до 1 м. Полость для подачи тиксотропного раствора образуется за счет выступа ножевой части — его размер ра­вен 100... 150 мм (способ предложен Н. З. Озеровым).

За счет применения тиксотропной рубашки резко снижа­ется сопротивление грунта по боковой поверхности колодца. Это позволяет значительно уменьшить толщину стенок опуск­ного колодца, применять сборные и сборно-монолитные кон­струкции. Опускные колодцы в сборном варианте чаще всего выполняются цилиндрической формы. По конструкции сборных элементов все колодцы можно разделить на три группы: из тонкостенных криволинейных скорлуп, плоских сплошных па­нелей и пустотных блоков. Оболочки из скорлуп-панелей при­меняют для устройства опускных колодцев диаметром 6...8 м. Опускные колодцы из плоских панелей устраивают диаметром D=7...37 м, глубиной до 30 м и толщиной 0,25... 0,7 м. В колодцах с использованием пустотных блоков ножевую часть выполняют из монолитного железобетона, а стены — из тонкостенных блоков. Габаритные размеры таких колодцев: диаметр — 24... 42 м, глубина погружения — до 40 м при толщине стен 0,9... 2,1 м.

Проектирование опускных колодцев (погружаемых в тиксотропной рубашке) состоит из трех этапов: на первом — зада­ются геометрическими размерами конструктивных элементов на основании опыта проектирования и ориентировочных рас­четов на прочность; на втором — назначают способ погруже­ния колодца в зависимости от геологических и гидрологичес­ких условий строительной площадки (намечают способы раз­работки грунта, водослива в процессе эксплуатации, меро­приятия, направленные на обеспечение устойчивости колодца против всплытия); на третьем этапе производится проверка принятых размеров расчетом на погружение и всплытие. В ито­ге принятые размеры опускного колодца проверяются расчетом на прочность.

Во время погружения колодца на него действуют на­грузки: давление грунта на стенки колодца (активное давле­ние грунта) Е_а, реактивное давление грунта на нож колодца р и вес самого колодца G.

По формуле Ляме напряжение сжатия р_сж в вертикальных сечениях колодца у внутренней боковой поверхности

, (14.1)

где R_K— наружный радиус колодца; р_гр — давление грунта или раствора тиксотропной глины на рассматриваемой глубине с учетом перегрузки; r_к—внутренний радиус колодца.

Полученное по этой формуле значение р_сж сравнивается с расчетным сопротивлением материала стенок колодца на сжа­тие. По формуле (14.2.) можно определить требуемую тол­щину стенок опускного колодца а, если задаться значением

. (14.2)

Если залегание слоев не горизонтальное, то при наличии перекоса колодца в процессе его погружения или односторон­нем воздействии сейсмической нагрузки давление грунта на

боковую поверхность будет неравномерным и его следует опре­делять с учетом коэффициента неравномерности.

Рис. 14.2. Форма опускных ко­лодцев в плане:

а —круглые; б — квадратные; в — прямоугольные; г — с закругленны­ми боковыми стенками; 1 — стен­ка; 2 — днище; 3 — поперечная стенка.

Кроме того, боковая наружная по­верхность колодца в каждой горизонтальной плоскости испы­тывает всестороннее равномерное давление (при наличии в зазоре между стенками колодца и грунтом тиксотропного раст­вора глины или однородном грунте вокруг колодца).

Кессоны также относятся к опускным сооружениям. В от­личие от опускного колодца в кессоне отжатие грунтовой воды производится сжатым воздухом. Основной частью кессона яв­ляется рабочая камера, в которую могут опускаться рабочие и инженерный персонал (рис.14.3.).

Давление в рабочей каме­ре повышают по мере погружения кессона в грунт и, таким образом, оно уравновешивает столб грунтовой воды и не про­пускает ее в рабочую камеру. Над кессонной рабочей камерой монтируют шахту, сверху которой устанавливают шлюзовой аппарат, предназначенный для постепенного повышения дав­ления до имеющегося в рабочей камере.

Рис. 14.3.

Последовательность возведения кессонного фундамента:

а — изготовление кессонной камеры;

б — монтаж шахты и люзовых аппаратов;

в — опускание кессона и наращивание кладки;

г— наращивание шахты;

д, е — заполнение кессона кладкой и демонтаж оборудования.

Пребывание людей в рабочей камере по времени строго лимитировано требова­ниями техники безопасности, при этом выход из рабочей ка­меры производится также с постепенным снижением давле­ния. Аварийная ситуация возможна в кессоне при утечке воз­духа. Кроме того, длительное пребывание в кессоне способст­вует развитию так называемой кессонной болезни. Все это значительно усложняет процесс опускания кессона и удоро­жает работы по устройству кессонных фундаментов. Макси­мальная глубина погружения кессона равна 35... 40 м в свя­зи с ограничением давления в кессонной камере.

С учетом вышеуказанных сложностей кессонные фундамен­ты применяют при наличии в грунте крупных включений или в случае необходимости опирания фундамента на наклонную поверхность скалы.

Фундаменты типа «стена в грунте». Интенсивное освоение подземного пространства больших городов связано с необходимостью внедрения в строительную практику новых прогрессивных способов возведения подземных сооружений. В настоящее время в отечественной практике и за рубежом успешно внедряется новый способ, который условно именуется «стена в грунте».

Сущностью этого способа яв­ляется устройство в грунте траншей, выемок различной в пла­не конфигурации, устойчивость которых в процессе разработки достигается заполнением глинистыми растворами с тиксотропными свойствами. После разработки в грунте выемок или траншей их заполняют монолитным бетоном, сборными эле­ментами, различного рода смесями глины с цементом, в ре­зультате чего формируются несущие, ограждающие конструк­ции или противофильтрующие завесы. Основные виды конст­рукций, устраиваемых способом «стена в грунте», приведены на рис.14.4.

По сравнению с обычным возведением фунда­ментов в открытых котлованах способ «стена в грунте» имеет ряд преимуществ: объем земляных работ уменьшается в 5...6 раз; исключается применение стального шпунта и профильного проката; упрощается выемка грунта между стен­ками (можно разрабатывать экскаватором, как в карьере).

Стоимость разработки грунта для устройства, фундаментов способом «стена в грунте» сокращается более чем на 50% по сравнению со строительством опускного колодца и может выполняться в монолитном, сборно-монолитном и сборном ис­полнении. При производстве работ по устройству «стены в грунте» в монолитном исполнении в разработанную под гли­нистым раствором траншею-щель укладывается бетон. При значительных размерах туннелей и больших нагрузках на них все элементы предусматриваются из железобетона.

Рис. 14.4.Основные виды конструкций, устраиваемых спосо­бом «стена в грунте»:

а — фундаменты под отдельные опоры; б — фундаменты опор линий электропередачи; в — подземные сооружения.

При высо­ком уровне подземных вод и использовании обмазочных или оклеечных гидроизоляционных покрытий внутри туннеля про­изводится дополнительная отделка. При применении сборных конструкций вместо укладки бетона в траншею устанавлива­ют готовые железобетонные панели сплошного сечения или с пустотами.

Выбор машин и оборудования для устройства траншей дик­туется инженерно-геологическими условиями строительства и объемом работ. Широко применяются грейферы с жесткой штангой или их подвешивают к стреле экскаватора. Зачастую используется многоковшовый роторный экскаватор, гидроме­ханизированные траншеекопатели, установки ударно-штанго­вого бурения. При выполнении больших объемов работ целе­сообразно применять землеройное оборудование непрерывного действия, отличающееся большой производительностью. Таким оборудованием является машина БМ-0,5/50-2м, оснащенная двумя режущими штангами, она позволяет рыть траншеи глу­биной до 50 и шириной 0,5 м. Значительный объем строитель­ных работ выполняется машинами СВД-500Р, позволяющими копать траншеи глубиной 50 и шириной 0,7 м. Эти машины снабжены рабочим органом фрезерного типа и способны раз­рабатывать слабые и прочные грунты. При выполнении малых объемов земляных работ применяется оборудование цикличе­ского действия. К таким машинам относятся двухчелюстной канатный грейфер с цепным устройством и электрогидравлический грейфер с приводом челюстей от гидравлических ци­линдров. Они могут копать траншеи глубиной до 30 м и ши­риной 0,6... 0,8 м.

Фундаменты типа «стена в грунте» рассчитывают в боль­шинстве своем как подпорные сооружения. Расчеты выполня­ют на действие следующих сил: 1) отпорного давления грунта при бетонировании стенок и траншей; 2) бокового давления от веса грунта и временной нагрузки на его поверхность; 3) гид­ростатического давления грунтовых вод и эксплуатационных нагрузок. При расчете на прочность усилия в ограждающей стене следует определять как для конструкций, взаимодейст­вующих с упругопластическим основанием (по методу Б. Н. Жемочкина).

1. Основная литература: 1 [221-230]; 1 [193-198; 198-208]

2 [232-244]; 2 [186-198;198-229]

Контрольные вопросы:

1. Что такое свая?

2. Какие существуют виды свай?

3. Как подразделяются свайные фундаменты и их ростверки?

4. Как определяется расчетная нагрузка на сваю?

5. Как определяется несущая способность сваи, в том числе в условиях природного залегания грунтов?

6. Каковы особенности работы одиночной сваи в грунте и в составе свай­ного фундамента?

7. Каковы основные этапы проектирования свайных фундаментов?

8. Как рассчитывается свайный фундамент на совместное действие вер­тикальных и горизонтальных нагрузок?

9. Каковы особенности проектирования свайных фундаментов в проса­дочных грунтах?

10. Каковы особенности фундаментов глубокого заложения?

11. Что из себя представляют сваи-оболочки?

12. Как устраивают фундаменты из опускных колодцев?

13. Как подразделяются опускные колодцы по форме в плане, материалу и продольному сечению?

14. Из каких сборных элементов могут изготовляться опускные колодцы?

15. Каковы особенности устройства кессонных фундаментов?

16. Как выполняется фундамент типа «стена в грунте»?

Дата добавления: 2015-06-04