Тема: Особенности производства работ при возведении и реконструкции фундаментов

Лекция № 15.

Ключевые слова: Крепление стен котлованов, крепление, схематический профиль шпунта, осушение котлованов.

В настоящей главе излагаются лишь особенности производ­ства работ по устройству оснований и фундаментов, поскольку более подробно этот раздел освещается в курсе «Технология строительного производства».

Важнейшим условием организации строительно-монтажных работ по возведению фундаментов является обеспечение со­хранности природной структуры грунтов основания. Поэтому при залегании ниже дна котлована сравнительно слабых водонасыщенных глинистых грунтов, имеющих низкую структурную прочность и легко разрушаемых под воздействием динамиче­ских нагрузок, следует применять механизмы, обеспечивающие сохранность строительных свойств грунтов.

Строительные работы по возведению фундаментов следует выполнять в предельно сжатые сроки, оберегая грунты от увлажнения, особенно в дождливый период, промораживания во время наступления холодов. Засыпку пазух котлованов также надо выполнять в минимальные сроки, так как это об­условливает сохранность природной структуры грунтов. Для этой же цели при отрыве котлованов скреперами, бульдозерами грунт не добирают на 10... 15 см. При разработке грунта од­ноковшовыми экскаваторами недобор грунта составляет 30 см. Окончательную доработку грунта производят средствами малой механизации или вручную. При разработке не допускается пе­ребор грунта ниже дна котлована. В случае разрыхления грун­тов основания их необходимо уплотнить катками, вибротрам­бовками или тяжелыми трамбовками.

Большое внимание уделяется подготовке контактного слоя— фундамента и грунта. Для этого перед установкой сборных фундаментов укладывают слой крупного или средней крупности песка толщиной 10... 15 см. На водонасыщенных грунтах мо­нолитные и сборные фундаменты устанавливают на слой це­ментного или известкового раствора толщиной 5... 8 см. При отрывке котлованов большое внимание уделяется обеспечению устойчивости стенок, особенно при большой глубине котлова­на. В противном случае возможно обрушение грунта, что со­здает угрозу для работающих в котловане людей и механиз­мов, не говоря о значительном увеличении объема земляных ра­бот.

При разработке котлованов не допускается скапливание атмосферных или подземных вод на дне котлована, так как это приводит к ухудшению физико-механических свойств грун­тов основания.

Крепление стен котлованов. При разработке котлованов в маловлажных глинистых грун­тах глубиной 1,5... 2,0 м крепление стен, как правило, не про­изводят. При этом стремятся создать котлованы с вертикаль­ными стенами из условия сокращения объемов земляных работ и отрывки котлована в стесненных условиях. При устройстве котлованов в водонасыщенных малопрочных грунтах крепле­ние стенок котлована является обязательным, если не преду­сматривается устройство откосов.

Во многих случаях крепление стен котлована позволяет исключить приток подземных вод. Если на призму обрушения опираются надземные конструкции, то крепление стен котло­вана должно быть прочным и малодеформируемым. В насто­ящее время крепление стен котлованов осуществляется с по­мощью простейших распорных креплений, шпунтовых или льдогрунтовых стен и применением способа устройства «стены в грунте».

К простейшим распорным креплениям относятся крепления с инвентарными распорками, закладные и сводчатые.

Простые распорные крепления с инвентарными распорками применяют для крепления стен сравнительно небольших котло­ванов и нешироких траншей, устраиваемых выше уровня под­земных вод. Их выполняют в виде горизонтально или верти­кально расположенных досок, в которую упираются инвентар­ные распорки (рис. 15.1). В песчаных грунтах производится сплошное крепление стен котлованов, в связных — несплош­ное.

При глубоких и больших котлованах применяются сплош­ные закладные крепления (рис. 15.2). Они выполняются в виде вертикальных стальных прокатных профилей типа двутавров или спаренных швеллеров, которые погружаются в грунт до разработки котлована. Это осуществляется с помощью вибри­рования, забивкой или установкой в заранее пробуренные сква­жины. Промежутки между стойками заполняют досками. Вме­сто досок в отдельных случаях устраивают сводики из бетона или железобетона, изготовленные методом торкретирования.

Для обеспечения устойчивости прокатных профилей и фик­сации их положения устанавливают горизонтальные распорки.

При большой их длине забивают дополнительные стойки, ко­торые располагают с небольшим уклоном к центру котлована, с тем чтобы они не работали на выдергивание.

Шпунтовые стенки устраивают при отрывке котлована ни­же уровня подземных вод.

Рис. 15.1. Рас­порные крепле­ния: 1 — упорная дос­ка; 2 — инвентар­ная распорка

Рис. 15.2. Сплош­ное крепление: 1 —двутавровая стой­ка; 2 — закладные доски; 3 — распорка

В этом случае необходимо обеспе­чить не только прочность крепления стенок котлована, но и ис­ключить проникание воды. Шпунтовые стенки выполняют из деревянного или стального шпунта. Деревянное шпунтовое ограждение из досок или брусьев применяется при сравни­тельно небольшой глубине котлована — до 5 м; при большей глубине котлованов применяют стальной шпунт — плоский или корытного профиля типа «Ларсен» (рис. 15.3), имеющего боль­шое сопротивление при работе на изгиб.

Рис. 15.3. Схематический профиль шпунта:

а — плоский; б — корытный типа «Ларсен»

Плотность деревянного шпунта обеспечивается разбуханием древесины, стального — за счет заиления пазов.

Устойчивость шпунтовых стенок для неглубоких котлованов (до 6 м) обеспечивается погружением шпунта ниже котлована на определенную глубину. Нижняя часть консольных стенок считается условной заделкой в грунте. Расчетом подбирают глубину забивки и сечение шпунта как обеспечивающее его устойчивость и прочность.

Если погружения шпунта в дно кот­лована недостаточно для обеспечения его устойчивости, при­меняют анкерное крепление шпунтовой стенки в виде анкерных свай, плит и заглубленных конструкций. При узких котлова­нах чаще всего применяют горизонтальные распорки.

Наиболее распространенным методом расчета безанкерных шпунтовых стенок является метод Блюма — Ломейера, который базируется на следующих условиях: шпунтовая стенка загру­жена активным давлением грунта, а ниже дна котлована развивается пассивный отпор (рис. 15.4); ниже точки поворота шпунтовой стенки О развивается реактивное давление грунта, которое принимается в виде сосредоточенной силы.

Фактически эпюры давления ниже дна котлована имеют криволинейное очертание. Однако принятые допущения незна­чительно отражаются на результатах расчета, но в то же вре­мя существенно его упрощают. Минимально необходимая глу­бина забивки шпунтовой стенки должна быть

t=t₀+Dt, (15.1)

где Dt — длина нижнего участка шпунтовой стенки, необходи­мая для мобилизации пассивного отпора грунта Е_п' (рис. 7.4).

Значение Dt определяется выражением без учета трения грунта о шпунтовое ограждение

Dt =Е_п'[2q_t0(l_п-l_a)], (15.2)

где q_to — бытовое давление грунта на глубине приложения пас­сивного отпора грунта Е_п; l_a и l_п — коэффициенты активного давления грунта и пассивного отпора. Чаще всего t=l,lt_o.

Если за шпунтовой стенкой залегают несколько слоев раз­нородного грунта, расчет ее устойчивости производят графо­аналитическим способом.

Шпунтовые стенки могут получать значительные горизон­тальные перемещения в пределах глубины котлована. Смеще­ние приближенно можно определить как сумму из трех сла­гаемых (рис. 15.5):

d = d₁+d₂+d₃, (15.3)

где d₁ — прогиб стенки, определяемый как для консольной бал­ки; d₂+d₃ — смещение верхней части шпунтовой стенки вслед­ствие поворота на угол q.

Рис. 15.4. К расчету безан­керной шпунтовой стенки:

1 — активное давление грунта; 2 —пассивный отпор грунта;

I_п — реактивное давление грун­та.

Прогиб d₁ определяется по формулам сопротивления мате­риалов. При трапециевидной эпюре давления грунта на шпун­товую стенку

(lla₁ + 4a₂), (15.4)

где а₁ и а₂ — ординаты трапециевидной эпюры давлений; Н — глубина котлована.

Смещение верха стенки d₂+d₃ можно определить по реше­нию Н. К. Снитко, рассматривая участок шпунтовой стенки ниже дна котлована как жесткую конструкцию:

d₂+d₃= , (15.5)

где k — коэффициент постели основания в точке С; М - изги­бающий момент в точке А; Q — поперечная сила в точке А.

Как указывалось, устройство анкеров и распорок позво­ляет увеличить жесткость шпунтовой стенки и уменьшить ее горизонтальное смещение. При устройстве шпунтовой стенки с одним рядом анкеров усилие в анкере находится путем про­ектирования действующих сил на горизонтальную ось. Уточне­ние глубины забивки шпунта с учетом., работы анкеров произ­водится на основе уравнения моментов всех сил относительно точки В (см. рис. 15.4).

При глубине котлована более 6 м ан­керы или распорки устраивают, на нескольких уровнях. В таких случаях нет необходимости в большом. заглублении, шпунто­вого ограждения ниже дна котлована по условию обеспечения устойчивости шпунта. Его горизонтальная, подвижка намного уменьшается за счет жестких распорок. или неподатливых ан­керов, и снижается возможность развития пассивного отпора ниже дна котлована.

Рис. 15.5. Схе­ма к определе­нию деформации шпунтовой стенки:

а —прогиб; б — поворот относи­тельно точки О

Искусственное замораживание грунтов. Искусственное замораживание грунтов применяют при уст­ройстве котлована в водонасыщенных грунтах с содержанием валунов и других включений, препятствующих погружению шпунта. Вокруг котлована образуются льдогрунтовые - стенки, которые препятствуют проникновению воды.

Для искусственного замораживания грунта по контуру кот­лована ряд колонок погружают на глубину создания льдогрунтовой завесы. Пропуская через колонки специальные охлаждающие растворы (чаще всего насыщенный, водой ра­створ хлористого кальция при температуре 26... 55° С), созда­ют условия для теплообмена с окружающим грунтом и созда­ния льдогрунтовой стенки. Нагнетание в колонки охлаждающе­го раствора производится с помощью специальной установки, схема которой приведена на рис. 15.6.

Пары хладагента (газа) засасываются компрессором 1, сжи­маются, при этом температура газа повышается. Далее сжатый газ превращается в жидкость путем охлаждения водой в конденсаторе 2. Сконденсированная жидкость под давлением по­дается в редукционный клапан 3, пропускающий тонкую струю жидкости.

Рис. 15.6. Схема замораживающей колонки

С помощью компрессора 4 за редукционным клапа­ном поддерживается низкое давление, обусловливающее испа­рение жидкости и сопровождающееся отбором тепла от испа­рителя. Насосом 5 хладагент подается в скважину 6, и грунт 7 замораживается. Затем цикл повторяется. В качестве жидкости (хладагента) применяется аммиак, реже — фреон, жидкий азот или диоксид углерода. Искусственное замораживание грунтов широко используют метростроители для устройства наклонных ходов и шахт, проходки туннелей и устройства котлованов.

Однако этот способ имеет ряд недостатков. Замораживание пылеватых и глинистых грунтов способствует возникновению морозного пучения, что приводит к поднятию поверхности грунта и расположенных на нем сооружений. При оттаивании льдогрунтовой стены развиваются просадочные свойства грун­тов. Более того, после оттаивания грунты имеют большую сжи­маемость и меньшее сопротивление сдвигу. В связи с этим следует избегать искусственного замораживания грунтов для крепления стен котлованов ниже подошвы фундаментов строя­щихся зданий или рядом с фундаментами существующих зда­ний или сооружений.

Осушение котлованов. При разработке котлованов ниже уровня подземных вод необходимо понизить их уровень, с тем чтобы строительные ра­боты по возведению фундаментов производить в сравнительно сухих условиях. Осушение котлованов осуществляется чаще все­го открытым и глубинным водоотливом и с помощью элект­роосмоса.

Открытый водоотлив производится путем откачки воды на­сосами из приемных колодцев, отрытых на дне котлована глу­биной 0,5... 0,7 м. Их засыпают песком или гравием для ис­ключения заиливания грунта. Вода в приемные колодцы по­ступает по горизонтальным канавкам, засыпанным также песком или гравием. При открытом водоотливе стремятся к то­му, чтобы вода не покрывала дно котлована для исключения набухания грунта.

Более эффективное понижение уровня подземных вод до­стигается глубинным водоотливом. С этой целью по контуру будущего котлована устанавливают иглофильтры в заранее вы­полненные скважины. Скважины устраивают чаще всего раз­мывом грунта глубиной ниже дна котлована на 5... 7 м.

Откачку воды из иглофильтров производят вихревыми насосами (рис.15.7). Уровень воды около иглофильтров понижается в сред­нем на 5 м, что приводит к образо­ванию депрессионной воронки. Так как иглофильтры располагают на расстоянии 0,8... 1,5 м друг от друга, то воронки объединяют и уровень подземных вод под буду­щим котлованом понижается.

Иглофильтровыми установками можно понижать уровень подземных вод в песчаных грунтах с коэффи­циентом фильтрации 0,05... 0,002 см/с. Если пески содержат большое количество пылеватых частиц и сетки иглофильтров быстро заиливаются, то для исключения этого явления скважи­ны иглофильтров засыпают песком средней крупности.

При по­нижении уровня подземных вод на большую глубину иглофиль­тры устанавливают в несколько ярусов или применяют эжекторные иглофильтры. Для откачки воды из буровых скважин (ко­лодцев) используются глубинные насосы.

Рис. 15.7. Понижение уров­ня подземных вод с по­мощью иглофильтровой ус­тановки:

1 — уровень подземных вод; 2 — депрессивная кривая; 3 — котлован; 4 —всасывающий ру­кав; 5 — насос; 6 — напорный трубопровод.

При понижении уровня подземных вод в грунтах с коэф­фициентом фильтрации менее 0,001 см/с применяют электро­осмотическое осушение совместно с иглофильтровыми установ­ками. Для этого по периметру будущего котлована забивают стальные стержни из арматуры или труб диаметром 38 мм. На расстоянии 1,5... 2,0 м от них погружают иглофильтры с расстановкой их в шахматном порядке относительно стержня (рис. 15.8).

Рис. 15.8. Схема электроосмотическо-го осушения грунтов:

1 — сеть электродов» (анодов); 2 — коллектор, подсоединенный вместе с иглофильтрами к отрицательно заряженному полюсу (катоды); 3 — насос; 4 — мотор-генератор; а, б, в, г — контуры- будущего котлована

Стержни подключаются к положительному полюсу (аноду) постоянного электрического тока с напряжением 30... 60 В, а иглофильтры — к отрицательному (катоду). Под влиянием действующего электрического тока грунтовая вода движется от анода к катоду и откачивается насосом. Это об­условливает понижение уровня подземных вод не только меж­ду электродами, но и во всем котловане. По опытным данным расход электроэнергии на 1 м³ осушаемого грунта составляет 5... 40 кВт*ч электроэнергии.

1. Основная литература: 1 [273-281]

2 [169-185]

Контрольные вопросы:

1. В каких грунтовых условиях крепление стен котлованов не производится?

2. Какие виды крепления стен котлована относятся к простейшем распорным креплениям?

3. В каких случаях применяются сплошные закладные крепления?

4. Искусственное замораживание применят при каких грунтовых условиях?

5. Какими методами осуществляются осушение котлованов?

Дата добавления: 2015-06-04