Забезпечення стійкості стін котлованів
Опалення, водопостачання, каналізація
При зведенні фундаментів у відкритому котловані проектом виконання робіт передбачається виконання наступних заходів: уривок котловану, кріплення стін котловану, його осушення, підготовка основи, влаштування фундаментів та зворотне засипання пазух з належним ущільненням.
Проектування котлованів починають із горизонтальної та вертикальної прив'язки котловану до місцевості із зазначенням на планах та розрізах основних осей, розмірів, абсолютних позначок дна та всіх заглиблень. У проекті передбачаються заходи, спрямовані на запобігання затопленню поверхневими та підтопленню підземними водами, порушення природної структури ґрунтів під час виконання робіт, можливого промерзання в зимовий період та порушення безпеки поряд розташованих будівель та споруд.
Надійність і стійкість, а також значення осідання природних основ багато в чому залежать від способу виконання робіт з розробки котлованів та улаштування основ та фундаментів.
Важливо влаштовувати фундаменти в мінімальні терміни, особливо в зимовий або дощовий період року, тим самим знижуючи витрати на осушення котловану та зберігаючи природну структуру ґрунтів.
Роботи нульового циклу та влаштування фундаментів дозволяється починати тільки після приймання котловану та ґрунтів основи, що оформляється спеціальним актом.
Збереження природної структури основи забезпечують за допомогою захисного шару грунту, який видаляють з котловану тільки безпосередньо перед зведенням фундаменту. Товщина цього шару вказується у проекті.
Відведення атмосферних опадів із котловану здійснюється за допомогою відкритого водовідливу.
Для забезпечення нормального ведення робіт з улаштування фундаментів,зведених у відкритих котлованах, необхідно виключити можливість обвалення укосів. Стійкість стін котловану забезпечується за допомогою надання їм відповідних ухилів або використання спеціальних кріплень.
Вибір величини укосів та способу кріплення залежить від глибини котловану, особливостей напластування та властивостей окремих шарів ґрунту, рівня підземних вод, способу виконання робіт та відстані до існуючих будівель та споруд.
1. Призначення крутості укосів котлованів та траншей. Деякі види ґрунтів, особливо зв'язкові, здатні тримати вертикальний укіс у межах певної глибини. Тому стінки котловану іноді дозволяється залишати вертикальними. При вертикальних стінках котлованів зведення фундаментів і засипку пазух слід проводити за виїмкою грунту, оскільки випадкове зволоження грунту дощовими водами може істотно зменшити зчеплення і призвести до обвалення вертикального укосу.
При глибших котлованах (не більше 3…5 м) у ґрунтах природної вологості стінки допускається виконувати без кріплення, але з ухилом (рис. 8.1). Дані про необхідну крутість укосів для різних видів ґрунтів в залежності від глибини котловану наведені в табл. 8.1. При глибині котлованів понад 5 м для ґрунтів природної вологості крутість укосів призначається розрахунком.
Мал. 8.1. Схема до обчислення крутості укосів котловану
2. Розпірні кріплення стін котлованів. При значній глибині котловану доводиться виконувати великий обсяг робіт із зворотного засипання пазух. Для виконання вимог стійкості у цих випадках потрібно ретельне ущільнення ґрунту зворотного засипання.
Уникнути виконання цих трудомістких робіт дозволяє застосування розпірних кріплень, які, володіючи необхідною міцністюі малою деформативністю, виключають можливість обвалення стін котловану.
До найпростіших кріплень відносять розпірні кріплення з інвентарними розпірками, які, упираючись у вертикально або горизонтально розташовані дошки, запобігають обвалу стінки котлованів (рис. 8.2, а).
При використанні широких котлованів (рис. 8.2 б) доводиться створювати складну просторову конструкцію з розпірок і стійок для їх проміжного спирання. У піщаних ґрунтах стіна кріплення робиться суцільною, у зв'язкових - не суцільною.
При розробці глибоких котлованів у піщаних ґрунтах влаштовують заставні кріплення. Їх виконують з вертикальних металевих прокатних профілів, що занурюються в ґрунт перед розробкою котловану за допомогою забиття, вібрування або в заздалегідь підготовлені свердловини із дошками, що закладаються між ними (рис. 8.3, а). Іноді замість дощок використовують створені в котловані методом торкретування зведення з бетону (рис. 8.3 б). Згодом вони можуть служити як стіни підземних приміщень. Такі кріплення називають склепінчастими. Зафіксувати від небажаних деформацій прокатні профілі та склепіння можна за допомогою розпірок або анкерів (рис. 8.3, б).
Мал. 8.2. Розпірні кріплення: 1 – упорна дошка; 2 - інвентарна розпірка; 3 - суцільне кріплення стіни; 4 - розпірка; 5 - стійка для проміжного спирання
Мал. 8.3. План суцільних заставних кріплень: 1 - заставна дошка; 2 - розпірка; 3 - двотаврова стійка; 4 - склепіння з торкрет-бетону; 5 - анкерний пристрій; б - натяжний пристрій; 7 - швелерна стійка
Мал. 8.4. Типи шпунтових стінок
Зменшити можливість втрати стійкості розпірок можна за рахунок проміжних стійок (див. 8.2 б), проте в цьому випадкурозпірки необхідно встановлювати з невеликим ухилом до центру котловану, щоб унеможливити роботу проміжних стійок на висмикування.
3. Влаштування шпунтових стінок. При розробці глибоких виробок нижче рівня підземних вод у складних геологічних умовах і на обмежених майданчиках (біля існуючих будівель та споруд, доріг тощо), що часто має місце в сучасному містобудуванні, кріплення стінок котловану здійснюється за допомогою шпунтових стінок.
Шпунтові стінки повинні також забезпечувати і недопущення проникнення підземних вод через стінки та дно котловану. Для виключення надходження води до котловану через його дно шпунтову огорожу занурюють до шару водонепроникного ґрунту.
Шпунтові стінки зазвичай виконують із металу або дерева. Дерев'яний шпунт з дощок (рис. 8.4 а) або брусів (рис. 8.4 б) застосовують при неглибоких котлованах (до 5 м), а при глибших використовують металеві шпунтові стінки, які можуть бути плоскими (мал. 8.4, в) та коритного профілю (рис. 8.4, г). Значна жорсткість при згинанні, яку має стінка коритного профілю, дозволяє при глибині котловану до 6 м виконувати консольне кріплення шпунтове без розпірок і анкерів.
У деяких випадках перевіряють стійкість шпунтової стінки разом із масивом ґрунту по круглоциліндричній поверхні Ковзання, як це викладено у § 5.5. Глибина занурення шпунтової стінки в ґрунт призначається виходячи з обмеження горизонтального зміщення або виключення можливості втрати стійкості основи круглоциліндричних поверхонь ковзання.
4. Штучне заморожування ґрунтів основ ґрунтується на водонепроникності, що набуває ґрунтів у мерзлому стані. Цей метод часто застосовують у водонаїщених ґрунтах, що маютьвалунні, гравійні та інші включення, що ускладнюють занурення традиційних шпунтових огорож. При заморожуванні в основі утворюються льодогрунтові стінки, що перешкоджають проникненню води в котлован.
Заморожування ґрунтів здійснюють у такій послідовності. Котлован необхідних розмірів огороджують по контуру рядом спеціальних колонок 7 (рис. 8.5), за допомогою яких створюється крижана стінка. Така колонка складається з двох труб, що знаходяться одна всередині іншої. При пропущенні через колонку спеціальних розчинів, що охолоджують за рахунок теплообміну з навколишнім грунтом відбувається замерзання грунту. Як охолодний застосовують розчин хлористого кальцію, який в залежності від концентрації здатний замерзати при температурі від -26 до -55 °С. Нагнітання розчину в колонки, що заморожують, і його охолодження проводять за допомогою насоса 5 заморожуючої установки (рис. 8.5). Заморожуюча установка складається з випарника, що охолоджує розчин хлористого кальцію за рахунок пропускання через змійовик, що знаходиться у випарнику, газоподібного холодоагенту зазвичай використовують аміак, набагато рідше — фреон або рідкий азот.
Рве. 8.5. Схема установки, що заморожує
Холодоагент перед надходженням у випарник стискається за допомогою компресора до деякого тиску, в результаті чого його температура різко підвищується, потрапляючи в конденсатор, який, охолоджуючи холодоагент за допомогою води, викликає його зрідження. Далі, надходячи у випарник через редукційний клапан, за яким компресор підтримує знижений тиск, відбувається випаровування холодоагенту, що супроводжується відбором великої кількості теплоти, що призводить до зниження температури охолоджувального розчину, що знаходиться у випарнику. Потім газоподібний холодоагент знову надходить у компресор іцикл охолодження повторюється.
Завдяки негативній температурі розчину, що охолоджує, відбувається теплообмін з навколишнім грунтом, в результаті чого він поступово замерзає. Через деякий час циліндри мерзлого ґрунту б, злившись один з одним, утворюють водонепроникну льодогрунтову стінку.
Температура охолоджуючої рідини в результаті теплообміну з ґрунтом підвищується, і для охолодження вона знову прямує у випарник за допомогою насоса. Таким чином, відбувається циркуляція охолоджуючого розчину від випарника до колонок і назад. Льодогрунтові стіни, як правило, влаштовують для забезпечення водонепроникності до глибини близько десятків метрів.
Штучне заморожування ґрунтів має такі недоліки. По-перше, воно значно дорожче за пристрій звичайного шпунтового огородження, по-друге, його не застосовують у грунтах, здатних відчувати морозне пучення.