2.1. Общие положения
· Котлованами называют выемки различные по глубине, но с достаточно большими размерами в плане, устраиваемые в грунте и предназначенные для различных целей: устройство фундаментов, монтажа подземных конструкций и оборудования, прокладки туннелей и коммуникаций и т.п.
· Выемки, имеющие малую ширину и большую длину, называют траншеями, а имеющие малые размеры в плане и большую глубину – шахтами .
Проект котлована является составной частью общего проекта здания или сооружения и включает в себя:
Чертеж котлована;
Указания по производству и организации работ;
Защитные мероприятия.
· Чертеж
учитываются: в плане
1. возможность производства работ;
2. возможность устройства опалубки;
3. размещение крепления стенок котлована;
4. размещение водопонижающих установок;
5. глубина в основном определяется заложением фундамента (с учетом песчаной подушки, пласт. дренажа и т.п.)
· Указывают :
Горизонтальную и вертикальную привязку котлована к местности;
Основные оси;
Размеры поверху и понизу;
Абсолютные отметки дня и заглублений;
Заложение откосов – i
· Защитные мероприятия
Их целью является сохранение природной структуры грунтов в основании возводимых фундаментов (т.е. дня котлована) и обеспечении устойчивости стенок котлована на все время производства строительных работ.
Необходимость сохранения природной структуры грунтов объясняется тем, что ее нарушение в процессе работ нулевого цикла сопровождается, как правило, ухудшением строительных свойств основания.
Требования по сохранению природной структуры основания:
Не допускать скапливание на дне котлована воды (замачивания), т.к. оно ухудшает свойства грунтов предусматриваются специальные меры для защиты котлована от обводнения.
Не допускать промерзания дна котлована в зимний период работ, т.к. большинство в зимний период работ, т.к. большинство грунтов обладает пучинистыми свойствами. Для этого, дно котлована покрывают слоем шлака или другого аналогичного по свойствам материала.
Не допускать механического воздействия на дно котлована. Для этого котлован механизированной техникой недокапывают на 20…30 см. Оставшийся грунт аккуратно снимают лопатами.
Устройство фундаментов необходимо выполнить по возможности быстрее, особенно в дождливый и зимний периоды строительства.
Требования к устойчивости стенок котлована.
Конструкции крепления стенок или откосов котлованов должны воспринимать все нагрузки от давления грунта и подземных вод и защищать его от их оползания или обрушения.
При разработке котлованов и траншей в непосредственной близости и ниже уровня заложения примыкающих сооружений необходимо принятие специальных мероприятий против развития осадок и деформаций близкорасположенных сооружений:
· это забивка шпунтовой стенки;
· закрепление грунтов основания;
· подводка нового фундамента.
2.2. Обеспечение устойчивости стенок котлованов
В зависимости от глубины котлована, грунтовых условий и УГВ, котлованы устраивают либо с естественными откосами либо применяют те или иные методы их крепления.
2.2.а Котлованы с естественными откосами
Устраивают в сухих и маловлажных устойчивых грунтах.
Если высота котлована h к ≤5 м, то заложение откоса (отношение h к /b) определяется по таблицам в зависимости от вида грунта.
Если высота h к >5 м, то необходим расчет крутизны откоса.
· Такие котлованы наиболее просты, однако при этом резко увеличивается объем земляных работ, особенно при глубоких котлованах. Кроме того в естественных условиях города отрывка котлована с естественным откосом далеко не всегда возможна (близко расположенные здания)
2.2.б Котлованы с вертикальными стенками
могут быть:
С креплением
Без крепления
Без крепления допускается только в сухих и маловлажных устойчивых грунтах на непродолжительный срок. Глубина таких котлованов не должна превышать:
· в песках до 0,5 м
· в супесях до 1,0 м
· в суглинках и глинах до 3 х м
Конструкции креплений котлованов выбирают в зависимости от следующих условий:
· глубина котлована;
· свойств грунтов;
· срок службы крепления.
В зависимости от этих условий подбираются следующие конструкции крепления:
· закладные крепления;
· анкерные или подкосные крепления;
· шпунтовые ограждения.
2.2.в Закладные крепления
Устраивают при глубине котлована до 2…4 м в сухих и маловлажных грунтах (рис. 14.2 а, б). Закладное крепление состоит из стоек, распорок и горизонтальных досок (забирки), которые заводят за стойки снизу по мере углубления котлована или траншеи, а стойки постепенно заменяют на более длинные тщательно раскрепляя их распорками.
Более удобное крепление не требующее замены стоек по мере заглубления выемки, состоит из предварительно забитых в грунт двутавровых стальных балок, за полки которых постепенно закладываются доски.
2.2.г. Анкерные и подкосные крепления
Устраивают в тех случаях когда исключается возможность установки распорок (широкий котлован, так же если распорки мешают возведению фундамента).
Для устройства анкерных (рис. 14.2 в) креплений вдоль стенки котлована забивают наклонные свайки, которые соединяют анкерными тягами со стойками крепления.
В подкосном креплении (рис. 14.2 г) стенки удерживаются подкосами передающими сдвигающие усилия на упор, забиваемый у них основания.
2.2.д. Шпунтовые ограждения
Служат для крепления вертикальных стен котлована при глубине более 4-х метров, а также при любой глубине, но при уровне подземных вод выше дна котлована.
Шпунтовые ограждения состоят из отдельных элементов (шпунтин), которые погружаются в грунт еще до отрывки котлована и образуют сплошную стену предотвращающую сползание грунта и проницание воду в котлован.
Шпунты могут выполняться из:
→ Деревянные шпунтовые ограждения применяют для крепления неглубоких котлованов (3…5 м) (рис. 14.3) может быть:
Дощатым (толщина до 8…10см)
Брусчатым (t от 10 до 24 см)
Длина шпунтин определяется глубиной их погружения, но, как правило, не превышает 8 м, поскольку более длинный не дорогой и дефицитный.
Для полного смыкания шпунтин их снабжают гребнем или пазом, а нижний конец делают с односторонним заострением, за счет чего погружаемая шпунтина прижимается к уже погруженной, что делает стенку более плотной.
Дополнительному уплотнению соединения шпунтин способствует и постепенной разбухание древесины в воде.
Деревянное шпунтове ограждение отличает простота изготовления, однако есть ограничения его применения:
Невозможность забивки шпунтин в плотные грунты;
Небольшая длина шпунтин (6…8 м);
И относительно малая прочность.
→ Металлический шпунт применяют при глубине более 5…6 м. За счет своей конструкции (рис. 14.4) он обладает большой прочностью и жесткостью.
Он состоит из прокатного профиля l=8…24 м.
Плоской;
Корытной; } при больших изгибающих моментах
Z-образной формы
Связь между шпунтинами по вертикали осуществляется при помощи «замков ». Конструкция замков обеспечивает плотное и прочное соединение шпунтин между собой. Остающиеся зазоры в замках, быстро заливаются и металлическая шпунтовая стенка становится практически водонепроницаемой.
Железобетонный шпунт применяют при постройке набережных, причальных и гидротехнических сооружений, или в тех случаях когда шпунт в дальнейшем используются как часть конструкции.
Ж/б шпунт
Сплошной ж/б ряд свай (забивных или буронабивных)
Разрешенный ряд свай в глинистых грунтах.
Конструкции шпунтовых стенок:
Без креплений (консольные);
С распорным креплением;
С грунтовыми анкерами.
Применение креплений распорного и анкерного типа увеличивает устойчивость шпунтовой стенки, уменьшает возникающие изгибающие моменты и ее горизонтальные смещения, что позволяет делать стенки более легкими.
Шпунтовые стенки рассчитывают по первой группе предельных состояний;
Подавляющее большинство методов основано на классической теории предельного равновесия грунтов (E a , E п, E о)
→ Безанкерные шпунтовые стенки (рис. 14.6)
Задача состоит в определении глубины ее забивки, усилий, действующих в стенках, и размеров поперечного сечения шпунта.
Принимается, что под действием E a , стенка стремится повернуться вокруг т.О, расположенной на некоторой глубине t o ниже дна котлована
Устойчивость стенки обеспечивается вследствие уравновешенного активного и пассивного давления грунта с разных ее сторон.
За счет перемещений и гибкости стенки получается довольно сложным криволинейная эпюра давлений грунта на стенку (рис. 14.6. б)
С целью упрощения расчета эта эпюра заменяется на более простую (рис. 14.6. в). После этого задача становится статически определимой с двумя неизвестными t o и E р ’, которые находятся из уравнений равновесия.
равновесие момента относительно т. О
∑М т.о. =0 следовательно приводит к уравнению 3 й степени относительно t o ; t o
будучи определена, позволяет найти E р ’ из ∑X=0 – уравнение равновесия горизонтальных сил.
Поскольку полученная t o определена из условия предельного состояния, для обеспечения запаса, ее увеличивают на величину ∆t
полная глубина заделки шпунтовой стенки;
∆t определяется из условия реализации обратного отпора грунта E р
где q to – вертикальное давление грунта на глубине приложенной силы E р ’
λ р, λ а – коэффициент активного и пассивного давления грунта
На практике чаще всего составляется только одно уравнение моментов, не содержащее E р ’, и определяется t o , а полная заделка шпунтовой стенки в грунт принимается равной
→ Анкерные шпунтовые стенки
В зависимости от жесткости стенки различают 3 расчетные схемы:
· свободно опертая стенка (схема Ю.К.Якоби)
· заделанная стенка (схема Блюма-Ломейера)
Критерий жесткости шпунтовой стенки определяется отношением:
d av – приведенная высота стенки
J – момент инерции приведенного сечения стенки «М»
D – ширина шпунтины, м;
t – глубина заложения стенки, м.
При - стенка повышенной жесткости (ж/б стена или стенка из буронабивных свай) ее следует рассчитывать по схеме «свободного опирания».
→ Свободно опертая стенка (схема Э. К. Якоби)
Расчет исходит из предположений, что в момент потери устойчивости стенка под действием сил активного давления грунта E a , будет поворачиваться вокруг точки крепления анкера (рис. 14.7 а). При этом на дне котлована возникает выпор грунта и реакция массивного давления
Упрощенная расчетная схема – рис.14.7. б
Необходимо найти:
T o ,- длина заделки стенки;
R - усилия в стенке и в анкере;
Подобрать сечение стенки и анкера.
· Приняв т.О (точка крепления анкера) – неподвижной t o и R определяют из уравнений равновесия:
За расчетное значение заделки принимают
→ Заделанная стенка (схема Биома-Ломейера) или (метод упругой линии )
· Расчет ведется в предположении, что нижний участок забитой части стенки полностью защемлен в грунте.
· Упрощенная диаграмма строится по аналогии т.О расположена на расстоянии 0,2t o от нижнего конца стенки (рис. 14.8)
· Задача статически неопределенна, т.к. содержит три неизвестные:
t ; R; Усилие в анкере; и E р
Необходимо помимо уравнений равновесия добавочное условии – это равенство …угла поворота защемленного участка в месте заделки стенки, т.е. в т. О
Решение ведется методом последовательных приближений.
1. Задаемся t o - глубиной заделки, определяем t
2. Из уравнение равновесия находим R и E р ’
3. Строим эпюру изгибающих моментов выше т.О
4. Путем двойного интегрирования составленного уравнения моментов получаем уравнение упругой линии стенки.
(Две постоянные интегрирования определяются из условия, что точка анкеровки и т.О являются неподвижными)
5. Из уравнения упругой линии стенки определяют угол ее поворота в т.О
Если угол θ≠0, то изменяем глубину t o и производим действия п.п 1-5 заново.
6. Дальнейший расчет заключается в построении эпюры изгибающих моментов и определении М мах, по которому проверяют сечение шпунта.
Объем вычислений можно существенно сократить если использовать графоаналитический метод расчета, изложенный в справочнике проектировщика.
2.3. Защита котлованов от подтопления
· Для защиты котлованов от подтопления используют следующие группы методов:
Водопонижение;
Противофильтрационные завесы;
Комбинация первых двух методов.
· Выбор той или иной группы методов зависит от:
Вида подземных вод;
УПВ (УГВ);
Свойств грунтов;
Особенностей их напластования;
Глубины, размеров и формы котлована в плане;
Других факторов.
· Во всех случаях, какой бы способ мы не выбрали, необходимо исключить нарушение природной структуры грунта в основании, обеспечить устойчивость откосов котлована и сохранность близко расположенных зданий.
→ Водопонижение осуществляется с помощью:
Глубинного водопонижения;
Открытого водоотлива
1. Открытый водоотлив – наиболее простой способ. Воду откачивают насосами непосредственно из котлована. А точнее из устраиваемой на дне котлована сети канавок глубиной 0,3…0,6 м, по которым вода отводится в приямок (зумпф), откуда она и откачивается систематически насосами.
Открытый водоотлив применяют только в малоразмываемых грунтах и породах (трещиноватые скальные породы, галька, гравий, крупные пески), а также там, где мало прямого поступления воды.
2. Глубинное водопонижение исключает просачивание подземных вод через откосы и дно котлована. Он заключается в искусственном понижении УГВ в районе котлована.
Осуществляется с помощью:
Иглофильтров;
либо - откачной воды из глубинных трубчатых колодцев (в случае большого притока воды).
Иглофильтр состоит из стальной трубы d=38…50 мм, нижнем конце имеется фильтрующее устройство, через которое производится всасывание и откачка воды. Фильтр сконструирован так, что обеспечивается невозможностью выноса частиц.
Возникающее при движении воды (от дна котлована к ИФУ) рис. 14.9 а, гидродинамическое давление способствует уплотнению грунтов а … - улучшению их структурных свойств.
· Легкие иглофильтровые установки (ЛИУ) служат для понижения уровня подземных вод на глубину 4…5 м в песках. При больших глубинах иглофильтры располагают в несколько ярусов (рис. 14.9. б) или применяют специальные эжекторные иглофильтры (водоструйные насосы, создающие разрежение окло фильтрующего элемента, что способствует увеличению всасывания), позволяющее понизить УГВ на глубину до 25 м.
ЛИУ применяют в песках крупной, средней крупности и мелких
Эжекторные иглофильтры, как более мощные применяют в пылеватых песках и супесях с k ф >0,1 м/сут.
При грунтах с k ф
→ вакуумирование;
→ электроосушение.
Вакуумирование:
У вакуумных скважин устья герметизируются специальными тампонами. Из скважин откачивается вода и воздух, создается зона вакуума, за счет чего приток воду увеличивается.
Позволяет откачивать воду при 0,01
Электроосушение (электроосмотическое водопонижение)
Применяют в глинистых грунтах с низкой водоотдачей
Этот способ основан на свойстве передвижения воды в глинистых грунтах под действием постоянного тока (электроосмос).
Стежки и иглофильтры размещают по периметру котлована в шахматном порядке (рис. 14.10)
На них подают напряжение U=30…60В.
Вода под действием тока перемещается от анода «+» к катоду «-», грунтовая вода поступает в иглофильтр и откачивается всасывающим насосом. Понижение воды возможно до 20 м.
За счет электроосмоса k ф резко увеличивается (в десятки, а то и в сотни раз), но требуется соблюдение соответствующих правил техники безопасности.
→ Создание противофильтрационных завес .
Используют:
· замораживание (естественное искусственное);
· битумизация;
· шпунтовое ограждение
Замораживание – используется свойство влажных грунтов переходить в твердое состояние при замерзании.
- Естественное замораживание
Котлован вскрывают до УГВ, дают грунту промерзнуть на глубину 20…30см. Затем срезают верхний слой, оставляя 10…15 см. нетронутого мерзлого грунта. По мере промерзания грунта эту операцию повторяют до тех пор пока не будет достигнута проектная отметка дна котлована. За счет большой продолжительности Метод эффективен в географических зонах с соответствующим климатом.
- Искусственное замораживание (рис. 14.11)
Применяют при разработке значительных по объему котлованов в водонасыщенном грунте.
Способ заключатся в создании по периметру котлована льдогрунтовой стенки (до водоупора) t=-15…-20۫С.
За счет циркуляции раствора амиака по нагруженным с шагом 0,9…1,5 м в грунт трубам, образуется цилиндры мерзлого грунта, которые смыкаются между собой, образуя сплошную защитную стенку.
Толщина стенки замороженного грунта зависит от ее назначения:
От притока подземных вод достаточно иметь толщину 10…15 см;
Как ограждение котлована – расчетом
Работа по замораживанию проводятся в 2 этапа .
1 этап – активное замораживание (40…70 суток) – грунт замораживают
2 этап – пассивное замораживание – поддержание грунта в замороженном состоянии в течении периода производства работ в котловане.
Следует строго следить за вертикальностью заглубления инжекторов.
Недостаток: В пылевато-глинистых грунтах происходи морозное пучение – поднятие поверхности грунта с сооружениями, находящимися в зоне влияния. Еще хуже в процессе отстаивания, т.к. сжимаемость такого грунта увеличивается, а прочность уменьшается.
Битумизация заключается в подаче (нагнетание) в грунт, обладающий трещиноватостью (скальные трещиноватые породы) с большим притоком воды, разогретого до жидкого состояния битума. За счет чего, образуется сплошная водонепроницаемая стенка.
Наряду с нагнетанием битума используют цементный раствор, или синтетические смолы.
Нагнетание в грунт какого-либо материала с целью устранения его водопроницаемости называется тампонажем .
Формирование откосов котлована
Строительная компания БЕСТ-СТРОЙ (Москва) выполняет полный цикл устройства котлованов : земляные работы, копка, откосы, крепление стен, устройство распорной системы или грунтовых анкеров, свайного фундамента.
На строительном участке проводится разметка в соответствии с технологической картой котлована: периметр, подъездные пути под вывоз грунта и место складирования породы под обратную засыпку. Выполняется транспортировка спецтехники на участок: экскаваторов, бульдозеров, погрузчиков. Все постройки, наружные и скрытые коммуникации, находящиеся на территории участка, подлежат переносу или сносу по согласованию с соответствующими организациями. Также проводится вырубка деревьев и планирование местности.
Земляные работы
После завершения подготовительных действий спецтехника приступает к основным земляным работам на котловане . Высокоэффективная механизированная позволяет выполнить выемку на полный объём котлована в кратчайшие сроки. Вынутый грунт частично остаётся в пределах строительной площадки для обратной засыпки пазух на этапе строительства здания. Объём оставляемой породы известен из ранее проведённых по проекту расчётов. По остальному объёму производится вывоз грунта самосвалами на площадку утилизации.
Земляные работы и шпунтирование стен выемки трубами с забиркой из доски
Расчёт объёма котлована и вывоз грунта
При расчётах выемки породы учитывается эффект разрыхления при копке. Плотность веками слежавшихся осадочных пород нарушается при рытье экскаватором и при перемещении в отвал или в кузов самосвала. В зависимости от вида или видов разрабатываемых грунтов даётся поправочный коэффициент 20-30%. Таким образом, например, если длина котлована 70 м, ширина 30 м и глубина 5 м с прямыми шпунтованными стенками на спланированной местности, то расчёт объёма котлована даёт нам значение 10500 куб.м. Но под вывоз грунта нужно расчитывать объём больше, как минимум, на 20%: 70х30х5х1,2=12600 куб.м. Выполнение откосов увеличивает объём котлована и вынятого грунта, но это же количество зачастую идёт в обратную засыпку, поэтому не вывозится за территорию стройплощадки.
Стены и откосы котлована
В благоприятных условиях, если грунт особо плотный и глубина до 2 метров, выкапывают котлован с вертикальными стенами без крепления. Если грунт глинистый - до глубины 1,5 метров, супесь и суглинок - до 1,25 метра, насыпные и песчаные - до 1 метра.
При необходимости устройства котлована на глубину до 5 метров, выше уровня грунтовых вод - на помощь проектировщику приходит таблица СНиП, приводящая зависимость угла откоса (отношение высоты к заложению) от вида грунта и глубины котлована.
Таблица 1. Крутизна откосов котлованов
| Виды грунтов | Крутизна откоса (отношение его высоты к заложению) при глубине выемки, м, не более | ||
| 1,5 | 3 | 5 | |
| Насыпные неуплотненные | 1:0,67 | 1:1 | 1:1,25 |
| Песчаные и гравийные | 1:0,5 | 1:1 | 1:1 |
| Супесь | 1:0,25 | 1:0,67 | 1:0,85 |
| Суглинок | 1:0 | 1:0,5 | 1:0,75 |
| Глина | 1:0 | 1:0,25 | 1:0,5 |
| Лессы и лессовидные | 1:0 | 1:0,5 | 1:0,5 |
В случае наличия близлежащих сооружений, грунтовых вод и необходимости водопонижения, грунтов с неравномерной структурой, глубины котлована более 5 метров необходим индивидуальный расчёт угла откосов или крепления стен.
Крепление стен котлована
Крепление вертикальных стен выполняется при строительстве котлованов в неплотных и водонасыщенных грунтах. Крепление защищает не только от обрушения стен выемки, но и препятствует смещению грунта под весом соседних зданий, оберегает их основания от деформаций.
Применяются следующие технологии укрепление стенок:
- Шпунтирование - шпунтовое из металлопроката:
- из труб, с забиркой из доски либо без неё,
- прокатного профиля, с забиркой либо без неё,
- специализированного шпунта Ларсена.
- Железобетонными конструкциями:
- бурокасательные и буросекущие сваи,
- стена в грунте.
Все приведённые технологии применяются до рытья котлована. Заглубление ограждения выполняется по периметру выемки строго согласно технологической карты. В определённых условиях выполняется предварительное бурение скважин: обеспечение вертикальности погружения, снижение вибрационных воздействий через грунт на основания близко расположенных сооружений при забивке.
Шпунтовое ограждение из труб с обвязочным поясом из металопроката
Самым ресурсосберегающим методом является погружение шпунта из труб. Этот материал дёшев и обладает высокой оборачиваемостью, то есть возможностью многократного использования. Погружение труб выполняется забивкой копром с дизель-молотом или гидравлической копровой установкой, а также с помощью вибропогружателя. Альтернативный способ - погружение с помощью свайной буровой установки методом вдавливания и ввинчивания.
Забирку устраивают в случае критичного просыпания породы между шпунтинами, из доски толщиной 40-50 мм.
Ограждение котлована из шпунта Ларсена
При необходимости мер водопонижения применяют шпунтовое ограждение из шпунта Ларсена. Каждая из таких шпунтин имеет корытообразный прочный профиль и замковые пазы для жёсткой связи друг с другом. Таким образом можно сформировать прочную и герметичную стену сколь угодно большой длины. Погружение выполняется забивкой или вибропогружением. Шпунт Ларсена, также, как и трубы и прокатный профиль, обычно извлекают после завершения строительства, обратной засыпки, и используют повторно уже на других объектах. Иногда его не извлекают, и тогда ограждение устраивают из специального оставляемого профиля.
Крепление стенок котлована железобетонными конструкциями обеспечивает высокие механические и водоизолирующие свойства будущего основания сооружений. Они также могут служить фундаментом и одновременно стенами подземной части здания.
Крепление стен котлована буросекущими сваями и грунтовыми анкерами
Бурокасательные и буросекущие сваи выполняются методом бурения, армирования и бетонирования диаметром от 400 до 1500 мм глубиной до 45 м. Сначала по периметру котлована подготавливается форшахта - небольшая укреплённая траншея-кондуктор. В ней бурятся нечётные скважины с шагом 0,9 диаметра между боковыми краями скважин. Заполняют бетонной смесью. К тому моменту, когда начинают бурить чётные скважины бетон уже схватился и шнек буровой установки сечёт две соседние нечетные сваи, выполняя скважину для чётной между ними. Затем в скважину погружают заранее подготовленный армирующий каркас, сваренный из специального армирующего прута и проволоки, и бетонируют. В итоге после застывания бетона получается очень прочная монолитная железобетонная стена. На следующем этапе происходит рытьё котлована уже с готовым креплением ж-б стеной.
Технологическая схема устройства стены в грунте, и последующей разработки котлована
Технология «Стена в грунте» обеспечивает высокопрочное ограждение и крепление стен котлована толщиной от 300 до 1200 мм, и глубиной до 60 м. Применяется сложная спецтехника - грейферная установка. Грейфер представляет собой узкий, на ширину стены двухковшевый землеройный инструмент, погружаемый в грунт на жёсткой штанге или подвесе, с гидравлическим или полиспастным приводом. Разрабатываемая траншея защищается от обвала глинистым бентонитовым раствором. По достижении проектной глубины в неё погружается армокаркас и заливается бетон, который вытесняет глинистый раствор, который в свою очередь собирается в резервную ёмкость для дальнейшего использования. Разработка ведётся участками (захватками) через одну. Второй очередью разрываются промежуточные захватки и получают монолитную стену. После того, как бетон наберёт прочность можно проводить копку котлована.
Устройство распорной системы котлована
Не смотря на все инженерно-технические ухищрения, иногда, особенно для глубоких котлованов в тяжёлых грунтовых условиях и плотной городской застройке, шпунтовое ограждение может оказаться недостаточно прочным для удержания давления грунтовой массы.
На последнем этапе возведения котлована на помощь приходят 2 технологии крепления ограждений.
Вид на распорную систему котлована вблизи автомагистрали и соседних строений
Первая из них - распорная система. По периметру устанавливается обвязочный пояс из металлопроката, равномерно распределяющий нагрузку по всему поясу. В пояс упираются распорки - как между противоположными стенками, так и между дном. Все конструкции выполняются в соответствии с точным механическим расчётом и изложены в ППР (плане производства работ).
Но распорная система крадёт внутреннее пространство выемки, которая и устраивалась специально для свободного манёвра в процессе строительных работ. Особо нагруженные конструкции распорных систем создают невероятно стеснённые условия для строителей. Это сокращает производительность и удлиняет сроки сдачи объекта.
Устройство грунтовых анкеров
Компания БЕСТ-СТРОЙ рекомендует применение, и производит крепление шпунтовых стен грунтовыми анкерами, принимающими на себя выдёргивающую нагрузку от массива породы. Этот метод не на много более трудоёмок и незначительно сложнее устройства распорок, но в итоге даёт ничем не ограниченный оперативный простор, оборачивается значительной экономией ресурсов, повышением производительности и сокращением сроков строительства.
Схема монтажа грунтового анкера
По итогам тщательно проведённых изыскательских и расчётных работ производится бурение скважин в стенах котлована, выполнение «якоря», закрепление тяги, фиксация её на анкеруемом шпунте. При этом важно учитывать расположение оснований близлежащих сооружений и зданий.
Крепление котлованов металлическими сваями . Наиболее распространено временное крепление вертикальных стен котлована металлическими сваями (рис. 524).
Рис. 524.
Металлические сваи представляют собой двутавровые балки № 36-60, погружаемые вдоль котлована на расстоянии 0,9-1,2 м одна от другой. Профиль двутавровых балок зависит от ширины и глубины котлована и числа рядов распорок (расстрелов) между ними; наибольшее применение имеют двутавры № 40-55.
Ширину котлована принимают на 30-50 см больше ширины возводимого сооружения на случай отклонения свай при их забивке и для того, чтобы при выдергивании свай не повредить обделку тоннеля. При сборных обделках полное уширение котлована может доходить и до 2,2-2,4 м по условию устройства гидроизоляции.
Доски закладывают за полки двутавров по мере углубления котлована. Каждый последующий ряд досок подводят снизу, плотно прижигают к грунту при помощи клиньев, вгоняемых между доской и полками двутавров. Сваи распирают одним или двумя рядами расстрелов в зависимости от глубины котлована и интенсивности бокового давления. Для котлованов глубиной до 10 м, в которых может быть возведено подавляющее большинство сооружений мелко заложенной линии метрополитена, при благоприятных условиях может быть поставлен один ряд расстрелов. При глубине котлована 4-5 м возможно применение свай консольного типа.
В котлованах глубиной более 10 м ставят два ряда расстрелов. При этом нижний ряд съемных расстрелов устанавливают на высоте не менее 30 см от верха лотковой плиты, чтобы обеспечить возможность ее кладки или бетонирования; с этой же целью верхний ряд расстрелов устанавливают на высоте 50 см от верха перекрытия.
Расстрелы могут быть деревянные (из двух соединенных между собой бревен Ø 20-30 см) или металлические различных сечений: швеллерные состоящие из двух швеллеров №30 или 40 с накладками из листов через 0,8-1,2 м; трубчатые Ø 15-20 см или в редких случаях в виде сквозных ферм. Наибольшее применение имеют металлические расстрелы, употребляемые для котлованов шириной от 6 до 20 м.
В местах опирания расстрелов к сваям прикрепляют продольные пояса из швеллеров №24 или 26 для распределения усилий.
На одном или обоих концах расстрел имеет выдвижные части длиной 1,7 м из двух швеллеров, которые служат для раскрепления его на сваи посредством металлических клиньев и вкладышей.
Боковое давление грунта, воспринимаемое промежуточными сваями, передается на подкосы, имеющиеся по концам расстрелов (см. рис. 524).
Расстояние между расстрелами в продольном направлении составляет обычно от 3,6 до 4,5 м, но может быть увеличено до 6 и даже 10м при условии усиления продольных поясов.
Если ширина котлована превышает 20 м, можно применять дополнительные ряды свай и комбинированное крепление, состоящее из металлических и деревянных расстрелов (рис. 525).
Рис. 525.
При сооружении тоннелей в котлованах обычно применяют следующий порядок производства работ. По длине сооружаемого участка по обеим сторонам котлована проходят разведочные траншеи шириной 0,8 м и глубиной 1,2 м. Назначение этих разведочных траншей заключается в уточнении расположения подземных городских коммуникаций и облегчении забивки свай, так как сваи забивают в грунт из этих траншей.
Сваи погружают до необходимой глубины, превышающей глубину котлована на 3-5 м, вибраторами или молотами, установленными на копрах, передвигающихся вдоль котлована по специально уложенным путям. Погружение свай на глубину 12-14 м ведет бригада из 4-5 чел. Производительность такой бригады - от 8 до 12 свай в смену. Если расчетная длина свай превышает стандартную, их выполняют сварными из нескольких стандартных секций.
Котлован глубиной до 10 м разрабатывают в два захода (рис. 526). Первую заходку делают на глубину не более 4 м с разработкой в средней части котлована траншеи глубиной 2,5 м для пропуска экскаватора под расстрелами (рис. 527). Грунт первой заходки разрабатывают драглайном. Вторую заходку до полной глубины котлована разрабатывают экскаватором (прямая лопата) или грейфером.
Рис. 526.
Рис. 527. Разработка грунта (первый этап)
Наиболее целесообразно применять для разработки котлована экскаваторы универсального типа, которые можно использовать как механические лопаты, драглайны и краны.
При наличии воды применяют искусственное водопонижение.
Крепление стен котлована ведут одновременно с разработкой грунта. За полки двутавров заводят доски и расклинивают их. После разработки котлована до отметки расстрелов верхнего ряда устанавливают продольную связь между сваями в виде поясов из швеллеров. Затем краном опускают расстрелы, устанавливаемые на каждую третью сваю.
Для разработки грунта второй заходки делают съезд для автомашин с уклоном до 0,01 (см. рис. 526), по которому опускают экскаваторы и автомашины. Вслед за разработкой котлована сооружают обделку с одновременным выполнением гидроизоляционных работ.
Обделки из монолитного бетона или железобетона сооружают в три приема: сначала делают лоток, затем стены и перекрытие. Бетон подают краном в ковшах по деревянным лоткам или металлическому шарнирному желобу; при этом используют инвентарную подвижную опалубку. Элементы сборных обделок укладывают козловым или стреловым краном.
После сооружения тоннеля ведут обратную засыпку котлована грунтом, выдаваемым из котлована на головных участках.
Зазор между тоннелями и креплением котлована засыпают песком слоями 30-50 см; каждый слой поливают водой и утрамбовывают. Сваи вытаскивают приспособенным для этой цели самоходным краном.
Заключительной работой является планировка строительной площадки, снос временных сооружений и асфальтирование поверхности.
Крепление котлованов стальным шпунтовым ограждением целесообразно при сооружении тоннелей в водонасыщенных и не отдающих воду породах, имеющих в основании водоупорный слой. Расположение крупных зданий на призме обрушения также вызывает необходимость применения шпунтового ограждения, как более надежного против осадок зданий. Необходимая жесткость крепи обеспечивается постановкой дополнительных расстрелов.
Наиболее удачной конструкцией являются шпунты корытообразного профиля Ларсен III, IV и V со следующими характеристиками:
Порядок производства работ при сооружении тоннелей мелкого заложения с применением стального шпунта остается таким же, как и при креплении котлована сваями. После сооружения тоннеля стальные шпунты выдергивают.
Крепление котлованов способом замораживания применяют в сложных геологических и гидрогеологических условиях при глубоком расположении водоупорного слоя и при замкнутых котлованах значительной площади, крепление стен которых сваями или шпунтами и расстрелами было бы слишком сложным. Искусственное замораживание грунта по контуру таких котлованов создает стены не только водонепроницаемые, но и воспринимающие активное давление грунта.
В котловане, освобожденном от временной крепи, создаются благоприятные условия для механизации выемки грунта и укладки бетона или готовых конструкций.
Анкерное крепление применяют в случаях разработки котлованов значительных размеров при возведении в них подземных вестибюлей или для сооружения перегонных тоннелей и станций метрополитенов. Сущность этого способа состоит в том, что обычную свайную крепь 1 котлованов заанкеривают в грунт за линией естественного откоса. Необходимость в установке расстрелов (рис. 528, а ) отпадает. Наиболее целесообразно применение нагнетаемых железобетонных анкеров, обеспечивающих надежную связь их с несвязным грунтовым массивом (песок, гравий).
Конструкция и технология изготовления применяемых анкеров отличаются большим разнообразием. В качестве примера приведен анкер (рис. 528, б) в виде стержня 2 из высокопрочной стали диаметром 26-32 мм с резьбой на обоих концах для крепления к буровой коронке 4 и элементу ограждения котлована. По мере извлечения обсадной трубы d = 40÷60 мм, под защитой которой выполнялось бурение скважины, в образующееся пространство 3 нагнетают цементное молоко (В:Ц 0,4-0,6) с добавками пол давлением 30-40 кгс/см 2 .
Рис. 528.
Усилие, воспринимаемое анкером длиной в 3-4 м, достигает 20-30 тс.
Остальную часть скважины заполняют цементным молоком под давлением 5 кгс/см 2 для образования защитной оболочки 5 вокруг стержня анкера. Эту часть анкера иногда защищают от коррозии полиэтиленовой трубкой. Через головную часть 6 анкера усилие передается на ограждение котлована.
Поскольку разработка котлованов с естественным углом откоса в действующих предприятиях недопустима, и разработка выямок выполняется с вертикальными откосами, закрепленными в последующем технологическими способами, классификация которых приведена на рис.15.2.1. Ниже рассматриваются способы выполнения указанных креплений.
В зависимости от используемого материала крепления подразделяются: на деревянные, металлические, железобетонные и комбинированные.
1. Деревянные крепления – доски, бревна, шпунт. Доски для крепления стенок и бревна служат для создания каркаса обрамления и устройства распорок. Недостаток деревянных креплений – установка внутри котлована распорок, которые мешают производству работ в котловане.
2. Для устройства металлического крепления применяют различные типы шпунтовых свай. Наибольшее распространение получили шпунты «зетового» и «корытного» профилей. Достоинство этого крепления большая несущая способность и возможность применения в любых грунтовых условиях. Металлическая шпунтовая стена позволяет устраивать выямки без внутренних распорок, что обеспечивает удобство и безопасность работ в котловане.
3. Железобетонные крепления представляют собой разновидность подпорных стен и, помимо основного назначения выполняют еще функции будущей возводимой конструкции. Они могут быть как монолитными, так и сборными. Толщина этих стен от 0,3 до 1,5 м.
4. Комбинированные крепления, представляющие собой сочетание металла и железобетона, либо дерева с металлом, либо дерева, металла и бетона.
Варианты креплений выямок в стесненных условиях приведены на рис. 15.2.1, рис.15.2.2, рис.15.2.3 и рис. 15.2.4.
По способу крепления подпорные стены подразделяются на: консольные, распорные, распорно-консольные, анкерные.
Первые представляют собой шпунтовую стенку, жестко защемленную грунтом. Устойчивость её обеспечивается защемлением и собственной жесткостью. Такие крепления устраиваются из металлического шпунта. Наибольшее распространение они получили при ограждении неглубоких котлованов.
Основной конструкцией распорных креплений является распорка. Щиты крепления и шпунтовая стена выполняет при этом только ограждающую функцию. Распорки устанавливаются в один или несколько рядов в зависимости от величины нагрузок (глубины котлована). Распорки чаще всего выполняют деревянными.
Консольно–распорные крепления представляют собой сочетание первых двух. Здесь нагрузки от давления грунта, складированных материалов и механизмов у бровки котлована воспринимаются не только распорками, но и ограждающими элементами крепления.
В качестве последних используется деревянный или металлический шпунт, который заглубляется в грунт на величину, определяемую расчетом. При небольшой глубине котлована в качестве несущих элементов консольной части принимают двутавровые балки, между полками которых закладываются доски ограждения. Вверху балки раскрепляются распорками.
Анкерные или заанкерованные крепления представляют собой шпунтованную стенку, консольная часть которой удерживается с помощью системы анкеров. При этом последние являются несущими элементами этого вида крепления, которое позволяет беспрепятственно производить работы внутри огражденного им котлована.
Конструкция анкеров может быть различной. Наибольшее распространение получила система анкерного крепления с дополнительной шпунтовой стенкой из стальных тяжей (см. рис.13.2.2).
В зарубежной практике при реконструкции широко используется так называемый инъекцируемый анкер, предложенный фирмой «Карл Бауэр» (см. рис.13.2.3). Нагрузка на анкер в несвязных грунтах достигает 100Мпа, а в связных – 60 МПа, что позволяет применять его в следующих случаях:
Крепление стенок котлованов любого рода, глубиной до 20 м;
Рис. 15.2.1 Конструктивные схемы крепления земляных выемок в стесненных условиях с вертикальными откосами:
1) консольные (при Н меньше 3 м — деревянный шпунт; Н меньше 6 м — металлический шпунт; Н меньше 10 м — железобетонная подпорная стена); 2) анкерные; 3) распорные; 4) подкосные; 5) опускной колодец; 6)искусственное закрепление грунтов инъецированием различных композиций
1 — существующие конструкции; 2 — ограждающая конструкция; 3 — котлован; 4 — анкер; 5 — существующая коммуникация; 6 — траншея для установки анкера; 7 — распорные балки; 8 — существующая дорога; 9 — подкос; 10 — упор подкоса; 11 — опускной колодец; 12 — инъекторы для закрепляющих композиций; 13 — масссив закрепляемого грунта.
Рис. 15.2.2 Крепление вертикальных откосов котлована:
а) общий вид крепления;б) узлы крепления откосов;
1 — шпунт (деревянная или металлическая свая); 2 — ограждение выямки из досок 30мм; 3 – шпунтовая стенка; 4 — тяжи анкерного крепления; 5 — натяжное устройство анкера; 6 — шпунтовая стенка укрепленная стенка грунта; 7 — закрепленный откос грунта.
Рис. 15.2.3 Схема монолитного инъецируемого анкера фирмы «Бауэр»:
1 — закрепленный откос грунта; 2 — «шпунт», ограждающий откос грунта; 3 — пластмассовая труба, размещаемая в пробуренную скважину; 4 — состав защитного покрытия анкерной тяги; 5 — анкерная тяга; 6 — инъецированный грунт; 7 — труба с рефленой поверхностью (якорь анкера), заинъецированная в грунт; 8 — устройство для натяжения анкера; 9 — массив грунта.
Крепление подпорных стенок и речных берегов;
Восприятие давления грунта на бассейны и очистные сооружения.
Сравнительная характеристика технико–экономических показателей способов крепления котлованов (по материалам фирмы «Карл – Бауэр) приводится ниже в таблице 15.2
Таблица 15.2
Сопоставление способов защиты котлованов
(по материалам «Карл Бауэр»)
Рассмотренные варианты устройства заглубленных помещений (см. рис 15.2.1) приемлемы только для условий сухого производства земляных работ. В сложных гидрогеологических условиях площадки с высоким уровнем грунтовых вод (УГВ) целесообразнее представляется технология «стена в грунте», позволяющая весь комплекс земляных работ осуществлять под защитой противофильтрационной завесы, устройство которой производится с использованием следующих конструктивных схем (см. рис. 15.2.4)
Рис. 15.2.4 Конструктивные схемы «заглубленных помещений», выполненных по технологии устройства «стена в грунте»:
|, ||) для круглых котлованов; |||) для прямоугольных и квадратных помещений; V|) для помещений любого очертания в плане;
1 — существующая или «противофильтрационная» завеса-стена; 2 — днище сооружения; 3 — распорные устройства; 4 — анкерные устройства (типа «Бауэр»).
Анализ приведенных схем крепления вертикальных откосов земляных выемок свидетельствует о том, что наиболее эффективными являются схемы с использованием анкерных креплений. Они позволяют устраивать заглубленные помещения высотой более 6 м. Все остальные схемы, менее затратные, связаны с более сложной технологией как земляных, так и монтажных работ. Причем глубина этих «помещений» не превышает 4 м.
Выбор той или иной схемы производства работ обусловлен, а первую очередь, проектными габаритами и отметкой подошвы разрабатываемого котлована, условиями (степенью) стесненности и конструктивно-технологическими характеристиками заглубленного помещения.
Одной из разновидностей устройства лесов являются работы по креплению траншей и котлованов, выполняемые для обеспечения устойчивости грунтовых откосов. Откосы котлованов, траншей для фундаментов испытывают подвижки, обрушиваются, создавая опасность для человеческой жизни, поэтому откосы, которые могут обвалиться, укрепляют различными рас-порками.
Простейшей является крепь с прозорами (рис. 170). Стенки грунта удерживают досками, скрепленными друг с другом накладками, которые прижимают к вертикальным стенкам траншеи распорками. Распор выполняют, вбивая двойные клинья (контрклин), которые в процессе работ периодически подбивают.
Иногда допускают ошибку, когда распирание производят не с помощью двойных клиньев, а вбиванием распорок между досками (рис. 171). Такой метод ненадежен, поскольку нет возможности усилить распор в дальнейшем, а разборка крепежа сложна. Другим отступлением от нормативов является неправильная организация рабочих площадок для землекопов. Рабочий лопатой выбрасывает землю на высоту до 2 м, а если глубина траншеи больше, в ней устраивают промежуточные площадки прямо на горизонтальных распорках, без закрепления их против оползания. В результате масса настила увеличивается от набрасываемого грунта, незакрепленные распорки вместе с накладками и досками крепления соскальзывают вниз и вся крепь обрушивается.
Больше всего ошибок встречается при разборке крепей. Выполняя кладку фундаментной стены, убирают нижний ряд распорок, мешающих работе. Таким образом, нижние доски крепления остаются без распора и грунт обрушивается. Чтобы избежать этого, распорки упирают в фундамент (рис. 172). Упомянутую выше простейшую крепь применяют и в устойчивых грунтах, удерживающих вертикальный откос без крепления до глубины 0,5-1 м. На практике, однако, часто встречают рыхлые, неустойчивые грунты, для выработки которых используют опережающую крепь. В индивидуальном строительстве редко выполняют такие работы, поэтому при отсутствии защитных оголовков допускают брак, разбивая доски, а это дорого обходится застройщику. Опережающую крепь делают также из панелей; работы выполняет специалист (рис. 173). Экономически целесообразно крепить откосы котлована при расстоянии между ними до 2-3 м. Если же делают выемку грунта под подвал большего размера или удаляют грунт перед подпорной стенкой, тогда устраивают одностороннюю подпорку с креплением от основания. Есть и другие способы, которые применяют в индивидуальном строительстве.
Наиболее простой является крепь с подпиранием от самого основания; ошибки допускают в местах креплений подкосов (рис. 174). Чтобы не произошло проскальзывания, закрепление подкосов к вертикальным накладкам осуществляют с помощью обвязочного бруска или скоб. Решение, при котором надежность конструкции определяют только забивкой скоб, при очень глубоких котлованах не является надежным и достаточным. Конструкцию необходимо соединять каким-либо типом вязки деревянных элементов, или применять обвязочный брус с креплением его к накладкам на болтовых соединениях.
Крепь ненадежна, если подкосы не упирают в забиваемые у их основания колья, а просто прикапывают их концы. Под действием нагрузки грунт оседает, крепь ослабляется и смещается. При разработке грунта для подвала или при возведении подпорных стенок случается, что крепь трудно подпереть с нижнего уровня, и тогда применяют анкерные затяжки (рис. 175). В случае если места заанкеривания именно в самой напряженной зоне находятся в пределах линии внутреннего скольжения грунта, они оползают вместе с грунтом. Крепление надежно, если анкеры расположены на расстоянии, равном удвоенной высоте подпираемого откоса.
