Кессонный метод возведения фундаментов глубокого заложения применяют в тех случаях, когда наблюдается значительный приток воды и осложняются работы по осушению а также когда грунты содержат крупные включения твердых пород. Кессоны применяют в непосредственной близости от сооружений, когда есть опасность выпора грунта из-под их подошвы.
Кессон состоит из кессонной камеры, подкессонного строения и шлюзового устройства. Кессонную камеру обычно делают из железобетона. Стенки камеры заканчиваются ножом. Высота камеры от банкетки до потолка принимается не менее 2,2 м. В потолке камеры предусмотрено отверстие для установки шахтной трубы. Надкессонное строение чаще всего выполняют в виде сплошного массива из монолитного бетона или железобетона. Для опускания и подъема людей и выполнения грузоподъемных операций предусматривается шлюзовой аппарат, который соединен с кессонной камерой шахтными трубами. Сверху кессон оснащен подъемным механизмом. Для подачи сжатого воздуха монтируются трубопроводы из двух ниток: рабочей и резервной. Для обеспечения сжатым воздухом монтируется компрессорная.
Сущность метода заключается в том, что во время погружения кессона в кессонную камеру нагнетается сжатый воздух, предотвращающий поступление в камеру подземных вод и наплывов грунта. Разработку грунта ведут в осушенном пространстве камеры. Чтобы открыть наружную дверь, когда кессон находится под давлением, нужно закрыть люк в шахту и снизить давление в шлюзовом аппарате. Когда внешнее и внутреннее давления уравновешиваются, дверь можно открывать. При этом давление воздуха в шахте и кессоне сохранится. Войдя в шлюзовую камеру, наружную дверь закрывают. Затем поднимают давление воздуха внутри камеры до уровня давления в кессоне. Только после этого можно открывать люк шахты для входа рабочих или транспортировки грунта. Шахту монтируют из звеньев труб на фланцах. Ее можно наращивать при опускании, не снижая давления в кессоне. Для этого закрывают люк на потолке кессона, снижают давление в шахте и выполняют работы по наращиванию.
При сооружении кессонной камеры и надкессонного строения предъявляют такие же требования, что и при сооружении опускных колодцев. Технология производства бетонных, арматурных и других работ аналогична технологии этих работ по сооружению опускных колодцев.
Кессоны, как и опускные колодцы, погружаются в грунт под действием собственной массы. Но погружению здесь препятствует не только сопротивление грунта, но и давление воздуха в кессонной камере. Сначала кессон погружают без подачи сжатого воздуха в камеру, но как только появляются подземные воды, кессон переводят на режим воздушного давления. Воздух отжимает воду из кессонной камеры, благодаря чему в ней можно разрабатывать грунт.
Регулируя в определенных пределах избыточное давление воздуха, можно управлять процессом погружения и уровнем воды в кессоне.
Сооружение фундаментов глубокого заложения кессонным методом включает следующие процессы: подготовительные работы, изготовление кессона, погружение кессона до проектной отметки, заполнение кессонной камеры.
В течение подготовительного периода должна быть смонтирована компрессорная станция с резервными агрегатами и разводящая сеть.
Для погружения наплавным способом кессонную камеру частично обстраивают стеной оболочки с таким расчетом, чтобы при закрытом потолочном люке камеры пустая оболочка придавала сооружению надежную плавучесть во время транспортировки. Отбуксированный к месту погружения кессон расчаливают к анкерным сваям. Обеспечив точность посадки кессона, его затопляют, нарастив предварительно шахту так, чтобы после погружения она возвышалась над поверхностью воды. Затем на шахте монтируют шлюзовую камеру, подают сжатый воздух в кессонную камеру, осушают ее и приступают к погружению.
В процессе погружения кессона стены наращивают до верха стыка звеньев шахты. В момент погружения ниже уровня воды давление воздуха в кессоне поднимают и по мере углубления увеличивают его так, чтобы несколько превысить гидростатическое давление на уровне ножа. Только в этом случае обеспечивается полное осушение кессонной камеры.
Грунт в кессонной камере разрабатывают методами гидромеханизации: размывают гидромониторами и удаляют пульпу эжекторами или гидроэлеваторами. Вначале устраивают зумпфы в центральной части кессонной камеры. В зумпфе устанавливают всасывающее устройство гидроэлеватора. Управление стволами гидромонитора может быть ручным или дистанционным, когда оператор находится в специальной надкессонной камере, где сохраняется нормальное давление воздуха. В последнем случае за ходом работ наблюдение ведут в перископы. Гидромеханизированную разработку плотных грунтов ведут от ножа к середине, в слабых грунтах - только в средней части камеры. Слабый грунт из-под ножа выдавливается под действием веса сооружения и сползает в центральную воронку, где подвергается размыву струей гидромонитора и удаляется гидроэлеватором.
По мере опускания кессона возрастают силы бокового трения и давление сжатого воздуха на потолок камеры, вследствие чего погружение кессона замедляется, а при равновесии сил может совсем прекратиться. В этом случае для дальнейшего погружения применяют форсированный способ посадки кессона. Для этого по периметру ножа разрабатывают. траншею глубиной до 0,5 м, затем рабочие покидают кессонную камеру и избыточное давление в ней снижают, но не более чем наполовину. В результате нарушения равновесия активных и реактивных сил кессон погружается до упора ножа в дно траншеи. После этого давление воздуха опять поднимают и разрабатывают грунт в центре камеры. Если грунты не поддаются гидромеханизации, то их разрабатывают пневматическими инструментами и мелкими взрывами. Плотные грунты вначале разрабатывают вдоль периметра ножа в виде траншеи глубиной до 0,5 м, начиная от фиксированных точек, и так, чтобы грунт между ними был вынут в последнюю очередь. Затем расширяют траншею, вырабатывая грунт в сторону ножа. В результате опорная площадь под ножом уменьшается и кессон погружается до упора ножа в дно траншеи. При проходке скальных пород выработку траншеи расширяют за пределы ножа наружу на 10-15 см, чтобы предотвратить заклинивание кессона осколками грунта и неровностями и избежать перекоса.
Работать в кессоне можно при давлении не более 0,4 МПа, что соответствует глубине 40 м. Наибольшая глубина погружения кессона составляет 38 м, так как давление в кессоне должно быть на 10 % выше давления столба воды. Погружение кессонов на большую глубину возможно при автоматической разработке грунтов или дистанционным управлением механизмами.
Кессонные камеры после погружения на проектную отметку должны заполняться материалом, предусмотренным в проекте, с плотной подбивкой материала под потолок кессона. Оставшиеся пустоты заполняются цементно-песчаным раствором, нагнетаемым через закладные трубки под давлением не менее 0,1 МПа. В некоторых случаях допускается посадка потолка кессона непосредственно на грунт. Материалами заполнения кессонной камеры являются бетон, бутобетон и песок. Заполнение камеры начинается с укладки по всей площади кессона слоя бетона или песка такой толщины, чтобы оставшаяся высота камеры допускала дальнейшее выполнение работ по устройству забутовки. Толщину предварительно укладываемого слоя принимают 0,5 м. Вначале производят подбивку под скошенную часть ножа (консоли), затем заполняют среднюю часть рабочей камеры кессона. В некоторых случаях кессонную камеру заполняют местными грунтовыми материалами (глинами или суглинками).
Кессонный метод устройства фундаментов глубокого заложения применяют, когда погружению обычных … Наплавные кессоны. Оборудование для опускания кессонов... Собственно кессон состоит из кессонной камеры, надкессонного строения, гидроизоляции.
www.сайт/spravochnik-161-stroitelnye
а. Кессоны для устройства глубоких фундаментов и заглубленных зданий. Собственно кессон состоит из кессонной камеры, надкессонного строения, гидроизоляции. Обычно кессонная камера устраивается из железобетона и лишь в редких случаях - из металла.
При погружении кессонов в песчаные, супесчаные и песчано-гравелистые грунты целесообразно применять гидромеханическую разработку грунта в камере. … Первым этапом работ является образование зумпфов в центральной части кессонной камеры (в кессонах...
www.сайт/spravochnik-127-fundamenty
При сооружении кессонной камеры и надкессонной кладки к … Организация работ по опусканию кессонов в основном зависит от условий местности, наличия средств механизации, глубины опускания, площади кессона.
www.сайт/spravochnik-127-fundamenty/
Способы производства работ по сооружению наплавных кессонов и доставке их к месту опускания различны. … Например, можно наплавные кессоны (кессонные камеры) сооружать на временных стапелях и буксировать к месту погружения наплаву.
Опускной колодец представляет собой оболочку, погружаемую в грунт путем удаления его из-под оболочки и из ограничиваемого ею пространства. В большинстве случаев в процессе погружения оболочка остается открытой сверху, и разработки грунта ведется при атмосферном давлении. В условиях значительного притока грунтовых вод на некоторой глубине опускной колодец может быть снабжен воздухонепроницаемым покрытием и таким образом превращен в кессон, если это экономически оправдано.
Опускные колодцы применяются для устройства опор глубокого заложения, насосных станций, подземных резервуаров и т. п. в тех случаях, когда выполнение работ по возведению этих сооружений в открытом котловане экономически нецелесообразно. Опускные колодцы условно можно разделить по их назначению: колодцы-опоры, колодцы-емкости, колодцы-помещения.
Практически колодец может отвечать двум, а иногда и всем грем указанным назначениям.
Внутреннее пространство колодца, если он служит опорой, может быть заполнено кладкой или хорошо дренирующими материалами или оставаться незаполненным. Оно может быть разделено по всей высоте колодца или его части перегородками на отдельные камеры. Таким образом, колодцы бывают без перегородок и многоячейковые - разделенные на отдельные камеры.
Основной частью опускного колодца является оболочка, которая включает наружные стены, снабженные внизу скошенной ножевой частью, и перегородки, обычно не имеющие ножевой части.
После окончания погружения оболочки в грунт устраивается днище колодца. Выбор конструкции днища зависит от назначения колодца. В тех случаях, когда не требуется увеличения площади опирания колодца на грунт, днище может отсутствовать.
В состав конструкции колодцев, используемых как емкости или помещения, могут быть включены также покрытия, перекрытия, специальные устройства для установки оборудования и т. п.
Колодцы могут быть каменные (из кирпичной или бутовой кладки), бетонные или бутобетонные, железобетонные, деревянные или деревобетонные, а также стальные.
В настоящей главе рассматриваются бетонные и железобетонные опускные колодцы. Они имеют ряд преимуществ по сравнению с опускными колодцами из других материалов, а именно:
а) бетонные и железобетонные колодцы обладают значительной прочностью и жесткостью и потому хорошо работают при перекосах, защемлении и т. п., когда в одном и том же сечении колодца возникают усилия разных знаков, при этом им может быть придана любая форма в плане и вертикальном разрезе;
б) они обычно обладают собственным весом, достаточным для преодоления сил трения грунта по боковой поверхности колодца; при погружении же стальных и деревянных колодцев для этого необходим специальный груз.
Кессонный метод возведения фундаментов глубокого заложения применяют в тех случаях, когда наблюдается значительный приток воды и осложняются работы по осушению а также когда грунты содержат крупные включения твердых пород. Кессоны применяют в непосредственной близости от сооружений, когда есть опасность выпора грунта из-под их подошвы.
Кессон состоит из кессонной камеры, подкессонного строения и шлюзового устройства. Кессонную камеру обычно делают из железобетона. Стенки камеры заканчиваются ножом. Высота камеры от банкетки до потолка принимается не менее 2,2 м. В потолке камеры предусмотрено отверстие для установки шахтной трубы. Надкессонное строение чаще всего выполняют в виде сплошного массива из монолитного бетона или железобетона. Для опускания и подъема людей и выполнения грузоподъемных операций предусматривается шлюзовой аппарат, который соединен с кессонной камерой шахтными трубами. Сверху кессон оснащен подъемным механизмом. Для подачи сжатого воздуха монтируются трубопроводы из двух ниток: рабочей и резервной. Для обеспечения сжатым воздухом монтируется компрессорная.
Сущность метода заключается в том, что во время погружения кессона в кессонную камеру нагнетается сжатый воздух, предотвращающий поступление в камеру подземных вод и наплывов грунта. Разработку грунта ведут в осушенном пространстве камеры.
→ Фундаменты
Опускные колодцы и кессоны
Опускные колодцы и кессоны
Наиболее типичными представителями фундаментов глубокого заложения являются опускные колодцы и кессоны.
Опускной колодец представляет собой сборную или монолитную железобетонную конструкцию, которая может иметь прямоугольное или кольцевое очертание в плане (рис. 11.1). Тяжелые массивные опускные колодцы выполняют, как правило, в монолитном варианте (рис. 11.1, а), а облегченные - в виде сборных свай-оболочек (рис. 11.1, б).
Массивный опускной колодец погружается в грунт следующим образом. На поверхности основания возводят пустотелую нижнюю часть фундамента (рис. 11.1, в). Затем, используя землеройные механизмы, через вертикальную полость извлекают грунт. Под действием собственного веса колодец погружается (рис. 11.1, г). По мере опускания колодец можно наращивать, получая фундамент требуемой глубины. По достижении проектной отметки нижнюю часть колодца заполняют бетонной смесью, увеличивая площадь подошвы фундамента. При возведении канализационных насосных станций известны случаи погружения опускных колодцев диаметром до 70 м на глубину более 70 м.
Рис. 11.1. Опускные колодцы:
а – массивный опускной колодец, разделенный на ячейке; б - легкий опускной колодец из
Цилиндрической сваи-оболочки; в - установка колодца на поверхности грунта; г - разработка грунта грейфером и заполнение нижней части бетонной смесью
Для погружения колодца в окружающий грунт нижнюю часть колодца выполняют в виде специального ножа из листовой стали, закрепляемого с помощью закладных деталей (рис. 11.2, а), а для уменьшения трения грунта о стенки колодца при погружении с внешней стороны делают небольшой уступ, и образующийся зазор заполняют раствором бентонитовой глины, которая поддерживает стенки грунта в процессе погружения (рис. 11.2, б). В последние годы в связи с развитием производства сборного железобетона стали применять и массивные сборные опускные колодцы, собираемые из отдельных секций толщиной 50…60 см с горизонтальным членением на блоки, повторяющие конфигурацию колодца в плане.
Рис. 11.2. Конструктивные детали и нагрузки, действующие на колодец:
а - конструкция ножа, б - сборный опускной колодец; в - нагрузки, действующие на колодец во время погружения; г - эпюры неравномерного давления грунта на боковой поверхности при «навале» на грунт во время неравномерного погружения; 1 - щель, заполняемая раствором бентонитовой глины; 2 - бетонная стенка; 3 - нож из сварной стали; 4 - железобетонное днище колодца
Сборные оболочки имеют небольшой собственный вес по сравнению с массивным опускным колодцем, поэтому сила тяжести в данном случае оказывается недостаточной для погружения. В связи с этим оболочки погружаются принудительно мощными вибропогружателями и вибромолотами, которые с помощью болтовых соединений жестко прикрепляют к верхнему фланцу Через специальный наголовник.
В строительной практике применяют оболочки диаметром от 1 до 3 м при толщине стенок 12 см. После погружения первого звена из его внутренней полости грунт извлекают, затем вибропогружателем доводят оболочку до проектной отметки. Нижнее звено оболочки оборудуют ножом, а стык звеньев выполняют с помощью фланцевых соединений на болтах или сварке.
Если в основании оболочки имеется слой скального грунта, то в нем пробуривают скважину, диаметр которой равен диаметру оболочки, с последующим заполнением оболочки и скважины бетоном, что обеспечивает заделку фундамента в скальном грунте.
В нескальных грунтах для повышения несущей способности прибегают к устройству уширения с помощью разбуривания или каму-флетного взрыва с последующим заполнением полости бетоном.
Оболочки погружают в грунт на глубину 30 м и более. К достоинствам таких фундаментов относится очень высокая несущая способность (более 10 МН), к недостаткам - возникновение значительных колебаний грунта на большом расстоянии от места погружения фундамента, в связи с чем их не рекомендуется применять в заселенных районах городов.
При погружении опускных колодцев необходимо обеспечивать его вертикальное положение, не допуская развития крена. Крен обычно устраняют с помощью увеличения разработки грунта в той части, где осадка меньше.
Способ разработки грунта выбирают в зависимости от размеров опускных колодцев, а также инженерно-геологических условий строительной площадки. При значительном объеме земляных работ применяют грейдеры или экскаваторы с бульдозером, опускаемыми в колодец. Последние, находясь в колодце, заполняют специальные ковши, которые с помощью крана извлекают на поверхность. При таком способе разработки грунта необходимо предотвращать поступление подземных вод в колодец, что осуществляется с помощью искусственного водопонижения или устройства шпунтовых заграждений, погружаемых до слоя водоупорных грунтов.
Разработка грунтов грейфером, эрлифтом или гидромонитором разрешается без устройства водозащитных экранов, однако в этом случае внутри колодца необходимо поддерживать повышенный уровень воды в колодце, превышающий уровень подземных вод, для предотвращения поступления (наплыва) грунта, окружающего колодец, что может вызвать около него осадку поверхности основания.
Расчет опускных колодцев производят на нагрузки, возникающие как в процессе погружения колодца, так и во время эксплуатации. При погружении колодцы испытывают воздействие следующих нагрузок: собственный вес колодца, давление грунта на стенки колодца, реактивное давление грунта, действующее на нож, и силы трения по боковой поверхности (рис. 11.2, в).
Тонкостенные оболочки рассчитывают, как пространственные оболочки, методами, используемыми при проектировании железобетонных конструкций.
Опускные колодцы, прямоугольные в плане, рассчитывают в горизонтальной плоскости как статически неопределимые железобетонные рамы на нагрузки, аналогичные действующим на цилиндрические колодцы. Нож колодца рассчитывают как консольную конструкцию, находящуюся под действием направленной под углом реакции грунта.
Днище колодца обычно выполняют из монолитного железобетона и рассчитывают как плитную конструкцию, находящуюся под действием реактивного давления грунта и гидростатического давления воды.
Опускные колодцы, погружаемые ниже уровня подземных вод, необходимо рассчитывать против всплытия. Для предотвращения всплытия днище колодца заанкеривают с помощью свай, погружаемых в нижележащие слои грунта, или устройства анкеров (см. рис. 8.6, в).
Основным неудобством при погружении опускного колодца является подводный способ разработки грунта. Сложность контролирования и управления этим процессом в случае неполного заполнения ковша грейфера, извлекающего грунт, и трудностей, возникающих при удалении камней, валунов и других крупных включений, привели к необходимости разработки и применения кессонного метода устройства фундаментов.
Способ возведения фундаментов с помощью кессона основывается на отжатии подземных вод из зоны разработки грунта с помощью избыточного давления, создаваемого сжатым воздухом.
Этот способ был впервые предложен и осуществлен в XIX в В связи с тем что этот способ связан с пребыванием людей при повышенном давлении и использовании дорогого оборудования, в настоящее время его применяют сравнительно редко, обычно в тех случаях, когда имеются препятствия для возведения свайных фундаментов и опускных колодцев.
Кессон представляет собой жесткую коробчатую конструкцию (рис. 11.3, д), имеющую потолок и боковые стенки консоли, располагаемые в нижней части фундамента. В рабочую камеру 5 подается сжатый воздух по трубам, давление которого назначается таким, чтобы уравновесить давление столба воды высотой Н и обеспечить ее отсутствие в рабочей камере. Для сообщения с рабочей камерой, которое необходимо в основном для прохода людей, подачи материалов и оборудования, на шахтной трубе устанавливают шлюзовой аппарат. Разработку грунта часто осуществляют гидромонитором, а его удаление - с помощью эрлифта.
Рис. 11.3. Схема возведения фундамента глубокого заложения кессонным методом
По мере разработки грунта в рабочей камере кессон под действием собственного веса и надкессонной кладки 9 погружается в грунт. Надкессонную кладку наращивают по мере погружения кессона (рис. 11.3, а). По достижении кессона проектной отметки (рис. 11.3, б) рабочую камеру заполняют кладкой или бетонной смесью, шахтные трубы и шлюзовые аппараты снимают, а шахтные колодцы также заполняют кладкой или бетонной смесью.
Продолжительность работы в кессоне строго регламентируется правилами техники безопасности.
Кессоны выполняют из монолитного или сборного железобетона и рассчитывают на нагрузки, действующие на опускные колодцы совместно с дополнительными: от веса кладки и избыточного давления на стенки рабочей камеры.
Содержание статьи
ФУНДАМЕНТ, подземная или подводная часть сооружения, которая передает его грунтовому основанию статическую нагрузку, создаваемую весом сооружения, и дополнительные динамические нагрузки, создаваемые ветром либо движением воды, людей, оборудования или транспорта. Правильно спроектированный фундамент передает все нагрузки грунту таким образом, что исключается возможность недопустимой осадки и разрушения сооружения. Как правило, это достигается распределением нагрузки по достаточно большой площади, выемкой грунта до уровня крепких пород, залегающих на большей глубине, применением свай, погруженных в слой слабых пород до слоя более крепких, или укреплением поверхностного слоя слабого грунта. Если всю площадь опоры образует скальный грунт, то осадка будет ничтожно малой. Трудности возникают, когда сооружение требуется возвести на грунте с высокой сжимаемостью, особенно если она меняется.
Основные виды фундаментов: фундамент на естественном основании, плавучий сплошной фундамент и свайный фундамент с забивными и набивными сваями. Особое место занимают специальные подводные фундаменты.
Фундаменты на естественном основании.
Такие фундаменты бывают сплошные плитные (из железобетонных плит) и перекрестные (в виде решетки из железобетона, стали, а иногда из дерева). Площадь контакта фундамента с грунтом должна соответствовать нагрузке с учетом предполагаемого отпора грунта. Максимальный отпор (реактивное давление) грунта определяется экспериментально на основе принципов механики грунтов, и в государственных строительных нормах даются таблицы допускаемого отпора грунта для тех или иных географических зон. Фундамент должен быть правильно рассчитан на сопротивление изгибу и сдвигу. Подошва фундамента должна быть ниже максимальной глубины промерзания грунта, чтобы не сказывалось вспучивание грунта при замерзании. Безопасная глубина зависит от годовых колебаний температуры, от типа и диапазона вариаций местных грунтов и от нормального уровня подземных вод. Кроме того, иногда наблюдаются сезонные изменения объема глинистых грунтов, чего нельзя допускать под фундаментом, заложенным на естественном основании.
В очень холодных регионах, например арктических, грунт промерзает на большую глубину и оттаивает лишь в верхнем слое толщиной 0,5–3 м. В таких условиях «вечной мерзлоты» необходим особый подход к строительству фундамента на естественном основании. Обычно предусматривается теплоизоляция между верхней частью сооружения и подошвой его фундамента, предотвращающая таяние подпочвы с последующим вспучиванием грунтового основания при повторном замерзании.
Плавучий фундамент.
На глубоких пластах грунта с высокой сжимаемостью применяются расширенные сплошные фундаменты, которые поддерживают сооружение как бы «на плаву» в пластичном грунте. Если сплошной фундамент правильно спроектирован, то осадка и перекосы равномерно распределяются по всему сооружению и в верхней части сооружения не возникает серьезных деформаций.
Считается, что сплошной фундамент будет плавучим, если его масса с учетом всех нагрузок примерно равна массе вытесненного грунта (или воды); тогда достигается равновесие, и большая осадка не возникает. Это правило предъявляет несколько завышенные требования к глубине. Благодаря внутреннему трению грунт выдерживает более значительную нагрузку, нежели вес вынутого грунта, хотя и при несколько большей осадке. Для равномерного распределения нагрузки, передаваемой грунтовому основанию колоннами, применяются плиты и балки из преднапряженного бетона, перевернутые арки с бетонными плитами, распределительные фундаментные решетки, перевернутые арки с ребром и оболочки. Фундамент должен быть правильно рассчитан на сопротивление изгибу, сдвигу и нормальным силам.
Забивные сваи.
В случае слабых грунтов применяются фундаменты, в которых основными элементами, передающими нагрузки от сооружения основанию, являются сваи, погружаемые в грунт. Нагрузки передаются не только за счет опорного давления, но и за счет бокового трения об уплотненный грунт. Благодаря частичной разгрузке окружающим грунтом сваи свайного «куста» меньше нагружаются, чем отдельно стоящие сваи.
Забивные сваи могут быть деревянными, бетонными и стальными. Деревянная свая (шпала) представляет собой обработанное бревно диаметром около 30 см в головке (комле) и длиной 3–15 м. Бревна должны быть прямыми, ошкуренными, со срезанными под корень сучками. Для увеличения трения на боковых поверхностях деревянные сваи иногда снабжают деревянными или металлическими обручами. Бетонные сваи могут изготавливаться либо на месте, либо в заводских условиях. Сборные сваи должны быть обязательно хорошо армированы сталью, чтобы они не боялись погрузки-выгрузки и ударов при забивании. Стальная свая допускает наращивание до ~90 м и обычно представляет собой двутавровый профиль или трубу подходящей длины. Стальная обсадная труба диаметром 20–60 см после погружения в грунт, заполняется бетоном. Применяются рифленые с поверхности толстостенные стальные трубные сваи со стальным сердечником на конце для ослабления удара при вхождении в грунт. Такие сваи-оболочки тоже заполняются бетоном. Для повышения прочности в трубные сваи-оболочки обоих типов вставляют стальной двутавровый профиль. Иногда внутренний бетон выбивают наружу из нижнего конца сваи, создавая тем самым расширенную опору. Погружение свай в грунт осуществляют забивкой, вдавливанием, вибрированием и завинчиванием. Забивку свай производят с помощью копровых установок с паровоздушными и дизель-молотами. Процесс погружения сваи в песчаный и гравийный грунт значительно облегчается и ускоряется, если грунт под нижним концом сваи размывается сильной струей воды, для чего в теле сваи может быть оставлен канал или смонтирована труба для подачи воды (под давлением около 0,7 МПа).
Набивные сваи.
Набивные сваи применяются в тех случаях, когда сооружения повышенной тяжести приходится устанавливать на прочном грунте, покрытом сверху толстым слоем слабого. Для этого в слабом грунте бурят скважину до слоя скальной породы, ортштейна или гравия и заполняют ее бетоном. Для умеренно прочных грунтов пригоден т.н. чикагский способ: грунт вынимают последовательно секциями по 1,5 м, закрепляя каждую деревянной боковой опалубкой перед тем, как приступать к разработке грунта следующей секции. Построенная таким образом набивная свая передает нагрузки от опоры колонны непосредственно прочному грунту. Иногда ее для увеличения площади опоры расширяют на нижнем конце, если он не доходит до скальной породы. Часть нагрузки передается грунту за счет трения на боковых поверхностях сваи.
Кессонные набивные сваи изготавливают, забивая паровым копром в грунт широкий открытый с торцов стальной обсадной цилиндр. Затем из погруженного цилиндра вынимают грунт и заполняют освободившееся пространство бетоном, предварительно вставив внутрь для армирования, если это необходимо, двутавровый стальной профиль. Стальная обсадная труба, оставленная в скважине, повышает прочность сваи пропорционально площади своего поперечного сечения и модулю упругости.
Подводные фундаменты.
Для обеспечения безопасного пространства для рабочих и оборудования строительство подводного фундамента начинают с того, что строят шпунтовое ограждение или опускной колодец. Эти водозащитные приспособления позволяют удалить с места расположения будущего фундамента воду и грунт, расчистить его и выполнить необходимые работы с точностью, возможной на сухом грунте.
Шпунтовое ограждение.
Шпунтовые ограждения наиболее подходят при малых глубинах воды, хотя известны случаи, когда они применялись при глубине до 30 м. Такие ограждения строятся из деревянных или стальных шпунтовых свай, устанавливаемых в один или два ряда и скрепляемых так, чтобы они выдерживали напор воды. Межсвайный промежуток двухрядного ограждения заполняется уплотненным грунтом, что препятствует протеканию воды. Ячеистое шпунтовое ограждение делается из замкнутых цилиндрических стальных ячеек, заполненных грунтом. Вода откачивается из зоны ограждения насосами.
Опускной колодец.
Открытый опускной колодец представляет собой полую цилиндрическую оболочку, по размерам соответствующую фундаменту и внутри хорошо укрепленную поперечными стенками. Обычно опускной колодец применяется для устройства глубоких опор, передающих давление на нижние, более прочные слои грунта. Колодец опускают на дно, заполняют его внутренний ряж камнем, и сверху настраивают кессонную набивную сваю. Грунт вынимают через скважины: илистый – откачкой, а плотный – подъемником с многочелюстным грейферным землечерпальным ковшом. Погруженный колодец и кессонные сваи, образованные путем набивки бетоном грунтоподъемных скважин, служат фундаментом для устоя – опоры верхней части сооружения. Бетон для укладки на этом фундаменте подводится по металлическому бетоноводу диаметром не менее 20 см, опущенному сверху под воду. Бетоновод можно также опустить непосредственно на дно.
Кессоны.
Кессоны применяются на большой глубине, не позволяющей установить шпунтовое ограждение. Кессон представляет собой большую неглубокую стаканоподобную оболочку, которая в перевернутом виде опускается на дно водоема. Размеры кессона определяются площадью грунтового основания, соответствующей полной проектной нагрузке при заданном допускаемом отпоре донного грунта. Если кессон лежит на скальном грунте, то по диаметру он может лишь немного превышать опору закрепляемого на нем устоя или другого опорного элемента конструкции. Высота кессона определяется уровнем грунтового основания и уровнем высоких вод. Следовательно, предварительно необходимо получить данные об уровне и характере грунтового основания. Кессоны обычно изготавливают на суше, буксируют на понтонах на место закладки фундамента и крепят к кустовым сваям. Если глубина воды недостаточна для буксировки на плаву, то кессон можно собрать на сваях в нужном месте и потом опустить на дно.
Рабочая камера предусматривается по всей площади кессона; ее высота составляет около 2 м. К камере непрерывно подводится сжатый воздух под давлением, исключающим возможность натекания воды. Рабочие входят в камеру повышенного давления и выходят из нее через воздушный шлюз, который служит также для выгрузки вынутого грунта и снабжения строительными материалами. Грунт разрабатывается на дне и под острыми кромками стенок, так что кессон постепенно опускается под собственным весом и весом настраиваемого устоя. При этом давление в нем повышается соответственно наружному давлению. Когда кессон достигает прочного грунта, на котором он должен лежать, его рабочую камеру заполняют уплотненным бетоном, служащим фундаментом для устоя или другой опоры.
Кессон обычно громоздок и неудобен в управлении. Волны затрудняют его установку, а неравномерное боковое давление грунта мешает точно направлять его путем выемки грунта под острыми кромками стенок. В зависимости от прочности грунта и условий работы скорость погружения кессона в грунт может составлять от 3 см до 2,5 м в сутки. Максимальная известная глубина погружения кессона под воду составляет около 40 м. Избыточное давление на такой глубине (в 3,5 раза превышающее атмосферное) находится на пределе допустимого для человеческого организма.
Люди, длительное время работающие в условиях повышенного давления воздуха, подвержены двум специфическим заболеваниям. Одно, менее серьезное, по симптомам напоминает простуду («забитый нос») и может перейти в пневмонию. Другое – кессонная болезнь (воздушная эмболия) – нередко вызывает паралич с летальным исходом.
Опоры моста.
Опоры моста (устои и быки) – это элементы, промежуточные между фундаментом и верхней частью мостового сооружения. Однако их часто относят к фундаменту. Устои, которые обычно представляют собой бетонные стены, поддерживающие береговые концы моста и удерживающие грунтовое заполнение его въездной части, выполняются заодно со своим фундаментом и передают нагрузку непосредственно грунтовому основанию. Быки же, подобно колоннам, опираются на свои фундаменты и поддерживают верхнюю часть сооружения. Фундаменты мостовых опор могут быть на естественном основании, свайными или кессонными и проектируются так, чтобы они выдерживали все нагрузки и защищали конструкцию от вымывания грунта водным потоком.
Временные фундаменты.
Когда требуется заменить или укрепить фундамент, его заменяют или усиливают по частям, применяя при необходимости боковые подпорки и подпорные балки.
Замена по частям.
На коротких участках через определенные интервалы вынимают грунт под старыми фундаментами до нового грунтового основания. В образовавшихся котлованах строят участки новой стены с соответствующими фундаментами и соединяют их с нижней частью старой стены. Когда эти участки стены завершены, они поддерживают старую стену до завершения разработки грунта на оставшихся промежуточных участках и сооружения новых пристроек стены.
В другом варианте усиления фундамента в грунт под стеной с некоторыми интервалами забивают металлические трубы. Когда трубы доходят до нового грунтового основания, их очищают изнутри от грунта и заполняют бетоном вплоть до нижнего обреза стены. Эти трубные сваи поддерживают стену во время сооружения пристроек стены и новых фундаментов.
Образующий рабочую камеру, в которую под давлением нагнетается сжатый воздух, уравновешивающий давление грунтовой воды на данной глубине, что не позволяет ей проникать в рабочую камеру, благодаря чему разработка грунта ведется насухо без водоотлива.
Кессон – «перевернутый ящик» - используется при постройки на местности покрытой водой.
Над кессонная кладка
Рабочая камера
Водолазный колокол
Рис.13.9. Схема устройства кессона:
а – для заглубленного помещения; б – для глубокого фундамента; 1 – кессонная камера; 2 – гидроизоляция; 3 – надкессонное строение; 4 – шлюзовой аппарат; 5 – шахтная труба
Метод является более дорогостоящим и сложным, поскольку требует специального оборудования.
Кроме того, этот способ связан с пребыванием людей в зоне повышенного давления воздуха, что значительно сокращает продолжительность рабочих смен (до 2 часов при 350…400кПа(max)) при максимальной глубине 35-40м.
В связи с вышесказанным кессоны применяют значительно реже других типов фундаментов глубокого заложения.
Кессонная камера, высота которой по санитарным нормам принимается не менее 2,2 м, выполняется из ж/б и состоит из потолка и стен, называемых консолями.
Время пребывания рабочих в кессоне ограничено 2…6 часами в зависимости от величины избыточного давления. На каждого рабочего в кессоне должно подаваться не менее 25 м 3 сжатого воздуха в час.
Расчетная схема кессона
q – масса над кессонной кладки;
Р – давление внутри кессона;
Rв – вертикальная реакция под ножом;
Rн – наклонная реакция под ножом;
Eа – активное давление грунта.
Способ погружения кессона аналогичен опускному колодцу. Глубину погружения кессона и его внешние размеры определяют так же, как и для опускных колодцев.
Где - избыточное (сверх атмосферного) давление воздуха, кПа ;
Гидростатический напор на уровне банкетки ножа, м ;
Удельный вес воды,
После опускания кессона на проектную глубину все специальное оборудование демонтируется, а рабочая камера заполняется бетоном.
Грунт в камере кессона разрабатывается или ручным или гидромеханическим способом.
Имеется опыт разработки грунта в кессонной камере вообще без присутствия в ней рабочих, когда все управление гидромеханизмами выносится за ее пределы. Такой способ опускания кессона называется слепым.
Расчет кессонной камеры производится на отдельных этапах:
Кессонная камера с некоторой частью над кессонного строения оперта на подкладки, оставленные в фиксированных точках.
Кессонная камера опущена на проектную глубину; давление воздуха в кессоне, вследствие его форсированной посадки, равно 50 % от расчетной величины для данной глубины опускания.
То же, но давление воздуха равно расчетному.
То же положение, но ножевая часть очищена от грунта.
23. Устройство подземных сооружений методом «стена в грунте». Основные понятия о способах производства работ и расчете.
4.5 Стена в грунте
Этот способ предназначен для устройства фундаментов и заглубленных в грунт сооружений (рис. 13.13).
Рис.13.13. Конструкции, сооружаемые способом «стена в грунте»: а – котлованы в городских условиях; б – подпорные стенки; в – тоннели; г – противофильтрационные диафрагмы; д – подземные резервуары
Способ заключается в том, что сначала по контуру будущего сооружения в грунте отрывается узкая глубокая траншея (b=60…100 см, H≤40…50 м) с помощью жесткого грейфера или механизированного траншеекопателя на проектную глубину с врезкой в водоупор, которая затем заполняется бетонной смесью или сборными железобетонными элементами.
Возведенная таким образом стена может служить конструктивным элементом фундамента, ограждением котлована или стеной заглубленного помещения.
Помимо заглубленных сооружений способом «стена в грунте» можно устраивать противофильтрационные завесы. Устройство «стены в грунте» наиболее целесообразно в водонасыщенных грунтах при высоком уровне подземных вод. Способ особенно эффективен при заглублении стен в водоупорные грунты, что позволяет полностью отказаться от водоотлива или глубинного водопонижения.
Существенным достоинством способа является возможность устройства глубоких котлованов и заглубленных помещений вблизи существующих зданий и сооружений без нарушения их устойчивости, что особенно важно при строительстве в стесненных условиях, а также при реконструкции сооружений.
Технология устройства «стены в грунте» .
Сооружение «стена в грунте» начинается с устройства сборной или монолитной форшахты, которая служит направляющей для землеройных машин, опорой для подвешивания армокаркасов, бетолитных труб, сборных железобетонных панелей и т.п. и обеспечивает устойчивость стенок в верхней части.
Отрывка котлована отдельными захватками. Откопав первую захватку , на всю глубину стены по ее торцам устраивают ограничители, арматурный каркас и укладывают бетонную смесь.
Затем переходят к захватке «через одну», а после ее устройства – к промежуточной и т.д., в результате получается сплошная стена (рис. 13.14).
Глиняный раствор
Форд шахта
Рис.13.14. Последовательность возведения «стены в грунте»:
а – первая очередь работ; б – вторая очередь работ; 1 – форшахта; 2 – базовых механизм; 3 – бетонолитная труба; 4 – глинистый раствор; 5 – грейфер; 6 – траншея под одну захватку; 7 – арматурный каркас; 8 – бетонная смесь; 9 – забетонированная секция; 10 – готовая «стена в грунте»
Такой метод называется методом последовательных захваток или секционным методом .
Для удержания стен захватки против обрушения по мере углубления в нее подливают тиксотропный глинистый раствор .
Для приготовления глинистых растворов используют бентонитовые глины (глина, содержащая большой процент монтмориллонита). Глинистые частицы раствора не только смачиваются водой, но вода проникает внутрь кристалла и глина разбухает, значительно увеличиваясь в объеме. Монтмориллонитовая глина обладает свойством тиксотропии , т.е. при динамическом воздействии – это раствор, а при отсутствии воздействия через 4…6 часов золь превращается в гель , что позволяет удерживать стенки траншеи.
После возведения «стены в грунте» по всему периметру сооружения (т.е. конструкция замыкает в плане будущее сооружение) поэтапно удаляют грунт из внутреннего пространства. При необходимости на каждом этапе по периметру устраивают грунтовые анкера или распорки. Если крепления не изготавливаются, то устойчивость стены при удалении грунта обеспечивается ее заделкой в основание. После полного удаления грунта из внутреннего пространства до проектной отметки возводят внутренние конструкции.
24.
Классификация методов искусственного улучшения оснований. Механические методы улучшения грунтов оснований.
Методы уплотнения грунтов подразделяют на:
- поверхностные , когда уплотняющие воздействия прикладываются на поверхности и приводят к уплотнению сравнительно небольшой толщи грунтов
- глубинные , когда уплотняющие воздействия передаются значительные по глубине участки грунтового массива.
→ Поверхностное уплотнение производится
укаткой;
трамбовкой;
вибрационными механизмами (виброуплотнением)
подводными взрывами;
вытрамбовыванием котлованов.
устройство песчаных, грунтовых и известковых свай
глубинное виброуплотнение
уплотнение статической пригрузкой в сочетании с устройством вертикального дренажа
водопонижение
глубинные(камуфлетные взрывы зарядов ВВ или электровзрывы)
На рис. 12.5 приведены графики иллюстрирующие процесс уплотнения грунта при цилиндрических уплотняющих воздействиях (укатке, трамбовке)
Уплотняемость грунтов, в значительной степени зависит от их влажности и определяется максимальной плотностью скелета уплотняемого грунта и относительной влажностью W
опт
25. Уплотнение
грунтов поверхностным трамбованием, глубинным
вибрированием, грунтовыми сваями.
3.3.а. Укатка и вибрирование
Уплотнение укаткой производится самоходными и прицепными катками на пневматическом ходу, гружеными скреперами, автомашинами, тракторами. Помимо укатки используют виброкатки и самопередвигающиеся вибромашины. Укаткам можно уплотнить грунты только на очень небольшую глубину, поэтому этот метод в основном применятся при послойном возведении грунтовых подушек, планировочных насыпей, земляных сооружений, при подсыпке оснований под полы. Уплотнение достигается многократной проходкой уплотняющих механизмов. Влажность грунтов при этом должна соответствовать оптимальной.
За уплотненную зону h с om принимают толщу грунта, в пределах которой плотность скелета грунта ρ d не ниже заданного в проекте или допустимого её минимального значения. Уплотнение оптимальной толщины уплотняемого слоя грунта и числа проходов используемых механизмов производится на основании опытных работ.
3.3.б. Трамбовка
Ручные легкие трамбовки (при ограниченном фронте работ)
Тяжелые трамбовки
Рис . Ручные легкие трамбовки
Масса трамбовки 2…7 т
3…7 м
Зона уплотнения основания до 2…3 м
Рис. 2. Схема поверхностного уплотнения грунта тяжелыми трамбовками
Рис. Тяжелые трамбовки
Тяжелая трамбовка изготавливается из ж/б и имеет в плане форму круга или многоугольника (>8 сторон). Применяется для уплотнения всех видов грунтов в природном залегании (пылевато-глинистых при S
r
Рис. 12.7. Схема поверхностного уплотнения грунта тяжелой трамбовкой.
1-уплотняемая полоса; 2-полоса перекрытия; 3-уплотняемая полоса; 4-место стоянки экскаватора; 5-ось проходки экскаватора; 6-трамбовка.
Коэффициент
Диаметр трамбовки
Пески, супеси: =1,8
Суглинки, глины: =1,5
Имеется опыт применения сверхтяжелых трамбовок весом >40т, сбрасываемых с высоты до 40м.
Часто уплотнение производится до определенной степени плотности, выражаемой через коэффициент уплотнения , равный отношению заданного или фактически полученного значения плотности скелета уплотненного грунта к его максимальному значению по стандартному уплотнению , т.е. =/.
При этом принимают ≈ 0,92…0,98
Трамбование производится с перекрытием следов (рис.12.7)
3.3.д. Глубинное виброуплотнение
Применяют для уплотнения рыхлых песчаных грунтов естественного залегания, а также при укладке насыпных несвязных грунтов, устройстве обратных засыпок и т.п.
Рис. 12.13. Схема виброустановки ВУУП – 6:
1 – вибропогружатель В – 401; 2 – трубчатая штанга; 3 – стальные ребра
При вибрации в сыпучих грунтах связь между частицами нарушается, и они начинают перемещаться под действием инерционных сил вибрации и сил тяжести. В результате грунты уплотняются.
Рис. Схема уплотнения вибробуловой
Эффективность уплотнения повышается при подаче в зону уплотнения воды (гидровиброуплотнение – подача воды через сопла в вибробулаве). Достигают уплотнения до .
Существует два основных способа виброуплотнения:
В первом способе уплотнение происходит при погружении в песок вибратора (вибробулавы).
Второй способ заключается в погружении в грунт стержня с прикрепленным к его голове вибратором.
применяются для уплотнения и улучшения строительных свойств просадочных макропористых и насыпных пылевато-глинистых грунтов на глубине до 20(м).
Суть метода: устраивается вертикальная скважина (полость) путем погружения металлической трубы (пробойника) d ≈40(см), которая затем засыпается местным грунтом с послойным уплотнением.
В результате образуется массив уплотненного грунта, характеризующийся повышенной прочностью и более низкой сжимаемостью, в просадочных грунтах устраняются просадочные свойства.
Рис.12.11. Схема устройства грунтовых свай способом сердечника:
а – образование скважины забивкой инвентарной сваи; б – извлечение инвентарной сваи; в – заполнение скважины грунтом с трамбованием; 1 – инвентарный башмак; 2 – сердечник; 3 – молот; 4 – трамбовка; 5 – уплотненный грунт заполнения
Рис.12.12. Схема образования скважин энергией взрыва:
а – устройство скважины – шпура; б – скважина – шпур, подготовленная к взрыву; в – готовая скважина; 1 – башмак; 2 – буровая штанга; 3 – наголовник; 4 – молот; 5 – деревянный брусок для подвески заряда; 6 – детонирующий шнур; 7 – заряд ВВ
метод уплотнения песчаными и грунтовыми сваями (рис. 6).
Порядок данного метода уплотнения основания заключается в следующем:
С поверхности уплотняемого основания погружается металлическая труба с раскрывающимся наконечником (происходит процесс уплотнения основания вокруг погружаемой трубы).
После погружения трубы на необходимую отметку, наконечник трубы раскрывается и труба извлекается с одновременным заполнением песком с виброуплотнением. В лессовых грунтах заполнение трубы осуществляется местным грунтом с необходимым увлажнением.
После извлечения трубы в уплотняемом основании образуется песчаная (грунтовая) свая, выполненная с заданной степенью плотности вместе с окружающим около свайным пространством.
Рис. 6. Метод глубинного уплотнения основания с использованием песчаных (грунтовых) свай
а) – погружение трубы с раскрывающимся наконечником; б) – заполнение трубы песком с раскрытием наконечника; в) – извлечение трубы с формированием в основании песчаной сваи с заданной степенью плотности.
Котлован
Фундамент
Зона уплотнения
в
f св.
F упл.=1,4в х 1,4
Рис. 7. Схема использования песчаных свай для уплотнения основания
f св – площадь поперечного сечения сваи; F упл.- площадь уплотненного основания.
Чем чаще сделаны сваи, тем большую степень уплотнения получает грунт основания. Для избежания выпора грунта в котлован при уплотнении головы сваи, котлован может разрабатываться после уплотнения основания сваями (рис. 7).
Необходимое количество песчаных свай для уплотнения основания может быть определено исходя из следующего условия:
где е 0 , е упл. – соответственно, коэффициенты пористости грунта основания до и после уплотнения, последний, также как и f св - площадь поперечного сечения сваи, задаются в процессе проектирования; F упл.=1,4в х 1,4 - площадь уплотненного основания; в, - соответственно ширина и длина проектируемого фундамента.
Следует отметить, что для связных водонасыщенных грунтов подобные сваи могут изготавливаться методом виброштампования (пневмопробойником) и заполняться щебеночно-песчаной смесью с добавлением цемента.
26. Замена слабых грунтов устройством грунтовых подушек. Расчёт и конструирование грунтовой подушки.
Если несущий слой грунта оказывается слабым, и его использование в качестве естественного основания оказывается невозможным или нецелесообразным, то приводят замену слабого грунта другим, обладающим высоким сопротивлением сдвигу и имеющим малую сжимаемость, который образует, так называемую, грунтовую подушку
. 
Рис. 12.1. Устройство песчаных подушек при малой (а) и большой (б) толще слабых грунтов:
1 – фундамент; 2 – слабый грунт; 3 – песчаная подушка; 4 – плотный подстилающий грунт.
Подушки делают из:
Крупнообломочные грунты (гравий, щебень);
Пески крупные и средней крупности (удобнее и легче использовать);
Шлак;
В лессах – местный перемолотый грунт.
Чаще всего грунтовые подушки имеют толщину 1…3 м (>3м не целесообразно).
Используют подушки: (см. рис.)
При малой толще слабых грунтов - обыкновенная песчаная подушка;
При большой толще слабых грунтов - висячая песчаная подушка;
Пески: α=30º…35º;
Гравий: α=40º…45º.
Тогда
Подушки отсыпаются слоями по 10…15 см, с уплотнением каждого слоя до γ d = 16…16,5 кН/м 3 .
Задаемся характеристиками нового грунтового основания (т.е. характеристиками песчаной подушки)
Определяют размеры подошвы фундамента как фундамента, стоящего на грунте с выше перечисленными характеристиками.
Проверяем подстилающий слой
Если это условие не выполняется, то увеличивают высоту висячей подушки.
Далее производится расчет деформаций основания. Совместная деформация песчаной подушки и подстилающего слоя S должна быть меньше S u .
Если это условие не выполняется. То также увеличивают высоту висячей подушки (или размеры фундамента).
Применение песчаной подушки приводит к следующим положительным эффектам:
Поскольку модуль общей деформации песчаной подушки Е>20 МПа, то их примение приводит к уменьшению осадок сооружения.
Поскольку песчаные подушки имеют большой коэффициент фильтрации (сильноводопроницаемы), то резко сокращается время консолидации основания.
Песчаные подушки устраиваются из непучинистых грунтов (материалов), поэтому есть возможность уменьшить глубину заложения фундамента d из условия учета глубины сезонного промерзания грунта d f .
27. Уплотнение грунтов вертикальным дренированием с предварительной пригрузкой (обжатие грунта). Области применения.
Используют для уплотнения (улучшения строительных свойств) слабых водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов и торфов, но на небольших площадках.
Рис. Схема уплотнения статической нагрузкой
Нельзя передавать большую нагрузку моментально, иначе произойдет выпор.
- эффективное давление
При
t
=∞;
при
t
=0
Давление под насыпью должно быть не менее давления будущего сооружения, т.к. высота насыпей ограничена, этот метод как правило применяют при строительстве сооружений, передающих относительно небольшие давления на основание – это малоэтажные здания, ж/д полотна, автодороги, взлетно–посадочные полосы, резервуары и т.п.
Т.к. при использовании этого метода при уплотнении слабых грунтов мощностью > 10м требуется длительное время (для завершения процессов консолидации и стабилизации осадок). Для ускорения процесса уплотнения используют вертикальные дрены различных конструкций:
Песчаные дрены
Бумажные комбинированные дрены и др.
Рис. Схема уплотнения грунтов с помощью вертикальных дрен
Время уплотнения грунтов t обратно пропорционально коэффициенту фильтрации К ф и квадрату высоты зоны уплотнения - .
t = f (К ф ; ) – за счет изменения К ф многократно уменьшается время.
Технология устройства вертикальных песчаных дрен аналогична технологии изготовления песчаных свай.
Бумажные комбинированные дрены имеют поперечное сечение 4×100 мм и состоят из полимерного жесткого ребристого сердечника и фильтрующей оболочки.
Дрена вводится в грунт в обсадной трубе прямоугольного сечения статическим вдавливанием (на глубину до 20м) их шаг 1,5 – 3,0м (для песчаных) и 0,6 – 1,5м (для бумажных комбинированных).
28. Химические и термический методы закрепления слабых грунтов. Процессы, происходящие в грунтах при закреплении. Области применения.
3.4.а Цементация
Метод служит для закрепления (упрочнения) насыпных грунтов, галечниковых отложений, средних и крупнозернистых песков (сухих и влажных при К ф >80 м/сутки). Так же используют для заполнения карстовых пустот, закрепления и уменьшения водопроницаемости трещиноватых скальных грунтов.
Рис. Схема цементации
Цементный раствор нагнетаемый в грунт имеет В/Ц отношение 0,4…1,0 , часто в раствор добавляют песок.
Применяют забивные инъекторы – тампоны, опускаемые в пробуренные скважины. Цементация возможна и в водонасыщенных грунтах, но там где вода стоячая; если есть течение, то цементный раствор уносит.
Метод цементации применим также для усиления конструкций самих фундаментов. Для этого в теле фундамента пробуривают шпуры, через которые в материал или кладку фундамента под высоким давлением нагнетается цементный раствор.
3.4.б Силикатизация
Применяется для химического закрепления песков с К ф =0,5…80 м/сут, макропористых глинистых просадочных грунтов с К ф =0,2…2 м/сут (лессы), и отдельных видов насыпных грунтов.
Рис.12.14.Схема закрепления методом силикатизации оснований фундаментов (а), защиты фундаментов зданий при строительстве подземных сооружений (б) ,при возведении зданий (в):
1 – фундамент; 2 – инъекторы; 3 – зоны закрепления; 4 – строящееся подземное сооружение; 5 – существующий тоннель; 6 – строящееся здание
Сущность метода заключается в нагнетании в грунт силиката Na в виде раствора (жидкое стекло), которым заполняется поровое пространство. При соответствующих условиях (при наличии отвердителя), раствор переходит в гелеобразное состояние, затвердевая со временем. Создаются новые связи между частицами, что приводит к увеличению прочности уменьшению сжимаемости грунта.
Силикатизация:
однорастворная (лессовый грунт)
двухрастворная (пески)
Однорастворная силикатизация :
Na 2 O n SiO 2 + Са SO 4 + m(H 2 O) = nSiO 2 (m-1)H 2 O + Ca(OH) 2 + Na 2 SO 4
Na 2 O n SiO 2 - жидкое стекло;
Са SO 4 - соли в лессовом грунте;
nSiO 2 (m -1) H 2 O – гель кремниевой кислоты;
Двухрастворный способ заключается в следующем. В грунт погружаются инъекторы (трубы d
=38мм) с нижним перфорированным звеном , длиной 0,5…1,5м. Через них в пески нагнетается раствор силиката натрия под давлением 1,5 МПа. Через соседнюю трубу, погруженную на расстоянии 15…25см, нагнетают раствор хлористого кальция.
Иногда оба раствора начинают поочередно через один и тот же инъектор (первый раствор при его погружении, второй раствор при извлечении).
После твердения геля прочность достигает 2…5МПа.
Na 2 O n SiO 2 + Са Cl 2 + (H 2 O) m = nSiO 2 (m-1)H 2 O + Ca(OH) 2 + 2NaCl
Na 2 O n SiO 2 – 1-ый раствор. Жидкое стекло;
Са Cl 2 - 2-ой раствор. Хлористый кальций;
nSiO 2 (m -1) H 2 O – вязкий материал, гель кремниевой кислоты.
Регулируя состав отвердителя можно в широких пределах варьировать время гелеобразования (от 20…30мин. до 10…16ч.). На полное твердение геля требуется 28 дней.
Увеличение времени гелеобразования необходимо в малопроницаемых грунтах, где для обеспечения необходимого радиуса закрепления требуется длительное время на проникновение раствора.
3.4.в Смолизация
– закрепление грунтов смолами. Сущность метода заключатся во введении в грунт высокомолекулярных органических соединений типа карбамидных, фенолформальдегидных и других синтетических смол в смеси с отвердителями – кислотами, кислыми солями.
Через определенное время в результате взаимодействия с отвердителями смола полимеризуется.
Время гелеобразования 1,5…2,5 часа, полное упрочнение происходит после двух суток. Смолизация эффективна в сухих и водонасыщенных песках с К ф =0,5-25 М/сут.
Достигаемая прочность колеблется в пределах 1…5 МПа и зависит в основном от концентрации смолы в растворе.
Организация работ аналогична силикатизации.
Радиус закрепленной зоны составляет 0,3…1,0м и зависит от К ф .
Метод относится к числу дорогостоящих.
3.4.г Глинизация и битумизация
Глинизацию применяют для уменьшения водопроницаемости песков. Через инъекторы в песок нагнетается водная суспензия бетонитовой глины с содержанием монтмориллонита ≥60%. Глинистые частицы, выпадая в осадок, заполняют поры песка, в результате чего его водопроницаемость снижается в несколько порядков.
Битумизацию применяют в основном для уменьшения водопроницаемости, закрепления трещиноватых скальных пород, при подземном течении вод.
Через скважины в скальный массив нагнетается расплавленный битум (или специальные его эмульсии). Происходит заполнение трещин и массив становится практически водонепроницаемым.
3.4.д Термическое закрепление грунтов (обжиг)
Применяют для упрочнения сухих макропористых пылевато-глинистых грунтов, обладающих газопроницаемостью (лессы).
Сущность: через грунт в течение нескольких суток (5…12 суток) пропускают раскаленный воздух или газы. Под действием высокой температуры (t ≈800˚C) отдельные минералы, входящие в состав скелета, оплавляются. В результате этого образуются прочные водостойкие структурные связи между частицами.
При обжиге грунты теряют большую часть химически связанной воды, что уменьшает просадочность, размокаемость, способность к набуханию. В результате термической обработки получается упрочненный конусообразный массив грунтаd поверху 1,5…2,5м понизу 0,2…0,4м глубина 8…10м.
Рис.12.15. Схемы термического закрепления грунтов при сжигании топлива в устье скважины (а) и при передвижении камеры сгорания вдоль скважины (б):
1 – трубопровод для жидкого топлива; 2 – то же, для воздуха; 3 – форсунка; 4 – затвор с камерой сгорания; 5 – скважина; 6 – просадочный лессовый грунт; 7 – зона термического закрепления; 8 – гибкий шланг; 9 – натяжное устройство; 10 – жароизолирующий материал
Применяется и другая технология, позволяющая сжигать топливо в любой по глубине части скважин. В результате образуются грунтовые массивы (термосваи) постоянного сечения. Сроки обжига в этом случае несколько сокращаются, упрощается технология работ.
Прочность обожженного массиваR
≈100 кг/см
29. Типы просадочности грунтов. Особенности проектирования и устройства фундаментов на лёссовых просадочных грунтах
I
и
II
типов просадочности.
Трудность строительства сооружений на лессовых просадочных грунтах состоит в том, что при обводнении грунтов в основании сооружений происходят большие и часто не равномерные деформации, называемые просадками.
Просадки лессовых грунтов возникают при одновременном воздействии двух факторов:
нагрузок от сооружений и собственного веса грузовой просадочной толщи, и
замачивания при подъеме горизонта подземных вод или за счет внешних источников (атмосферные осадки, промышленые сбросы, утечки и т.д.)
П :
где e - коэффициент пористости грунта природного сложения и влажности
Коэффициент пористости, соответcтвующий влажности на границе текучести и определяемый по формуле:
где и - соотвецтвенно плотность твердых частиц и воды
Показатель просадочности является номенклатурным признаком и лишь определяет склонность грунта к просадкам, не позволяя достоверно дать величину возможной просадки грунта.
Явление просадки можно наглядно представить на рисунке
Рис. 15.8. Осадка фундамента на лессовом грунте
Рис. 15.9. Зависимость деформаций (а) и относительной просадки (б)лессового грунта от нормального давления
аб – практически прямолинейный участок представляет зависимость осадков от давления под подошвой фундамента
бв – участок соотвецтвующей полной просадке грунта под нагрузкой после замачивания
Характеристики просадочных свойств.
Она представляет собой относительное сжатие грунта при заданых давлениях и степени повышения влажности и определяется по формуле:
– применяется при природном W, после замачивания
Примняется после замачивания
Применяется при природном W,после обжатия
Грунт считается просадочным при условии 0.01
Относительная просадочность зависит от давления, степени плотности грунта природной влажности и его состава, степени повышения влажности.
легко устанавливается из графика зависимости от давления Р (рис.15.9. б), который в свою очередь строится при испытаниях образцов лессового грунта в компрессионных испытаниях с замачиванием при различных нагрузках. Эта характеристика является очень важной при расчете просадок.
Так например, за счет разрушения структурных связей особенно резко (в 6…10 раз) снижается сцепление при относительно небольшом (в 1,05…1,2 раза) уменьшении угла внутреннего трения.
6.2.а. Принципы строительства на просадочных грунтах
В первую очередь при проектировании оснований и фундаментов зданий на просадочных грунтах учитывают возможность их умачивания и возникновения просадочных деформаций.
Надежность и нормальная эксплуотация зданий достигается применением одного из следующих принципов :
Осуществление комплекса мероприятий, включающего подготовку основания, (в водозащитные и конструктивные мероприятия входят: компановка генплана; планировка застраиваемых территорий; устройство под зданиями маловодопроницаемых экранов; качественная засыпка водонепроницаемых котлованов и траншей; устройство вокруг зданий водонепроницаемых отмосток; отвод аварийных вод за прделы зданий и в ливнесточную сеть.)
Для жестких зданий:
эта разрезка зданий осадочными швами на отсеки
устройство железо – бетонных поясов и армированных швов
усиление фундаментно – подвальной части путем применения монолитных или сборно – монолитных фундаментов
мероприятия по дополнительному увеличению потдатливости (введение гибких связей;повышение площади операния)
место, обеспечивающие нормальную эксплуотацию зданий при возможных, часто неравномерных просадок. Для этого применяют конструктивные решения , позволяющие в короткие сроки восстановить после неравномерных просадок нормальную эксплуотаию кранов, лифтов, оборудования, путем рихтовки подкрановых путей и направляющих лифтов, поднятия опор домкратом.
30. Особенности расчета и устройства фундаментов при динамических нагрузках.
Расчетную сейсмическую нагрузку получают в результате динамического расчета всего здания на колебания и прикладывают в точках расположения масс элементов конструкций.
При строительстве зданий в сейсмических районах:
Схема свайного фундамента с промежуточной подушкой
1-фундаментный блок; 2-промежуточная подушка; 3-железобетонные оголовки; 4-железобетонные сваи; 5-поверхность дна котлована
В сейсмических районах при соответствующем технико-экономическом обосновании возможно применение свайных фундаментов с промежуточной подушкой из сыпучих материалов (щебня, гравия, песка крупного и средней крупности
Фундамент выполнен в виде платформы, состоящей из верхней и нижней плит с полостями, внутри которых расположены промежуточные элементы шарообразной формы. Плиты установлены относительно друг друга с зазором, а полости имеют параллельные горизонтальные поверхности в поперечном и продольном направлениях с полусферическими завершениями. Между опорной плитой и платформой установлены амортизаторы. Верхние этажи здания снабжены вантами, закрепленными в вертикальных опорах, на которые базированы перекрытия, а верхняя фундаментная плита снабжена выступами, выполненными соосно с пазами опорной плиты.
Маятниковая скользящая опора (1) предназначена для отделения грунта (2) основания от сооружения (3) при вызываемых землетрясением движениях грунта (2) основания Опора (1) содержит первую опорную плиту (5) скольжения с первой вогнутой поверхностью (5") скольжения, опорный башмак (4), находящийся в скользящем контакте с первой поверхностью (5"), а также вторую опорную плиту (6) со второй вогнутой поверхностью (6"), которая контактирует с опорным башмаком (4). Первая поверхность скольжения (5") обеспечивает, по меньшей мере, в одном измерении устойчивое положение равновесия опорного башмака (4), в которое он самостоятельно возвращается после отклонения, вызванного воздействием наружных сил. Антифрикционный материал (9а, 9b) содержит пластмассу с упругопластичными компенсирующими свойствами и с низким коэффициентом трения, при этом пластмасса обладает компенсирующими свойствами, позволяющими компенсировать отклонение 0,5 мм от заданной плоскости заданной поверхности скольжения (5"). Технический результат: повышение долговечности, прочности и обеспечение наиболее точного возвращения элемента скольжения в равновесное положение
Опора сейсмостойкого сооружения содержит опорные части, одна из которых выполнена с возможностью закрепления на опорной плите сооружения, а другая - на фундаменте, причем опорные части соединены между собой с помощью маятниковой тяги. Опорные части содержат каждая ригель, на котором закреплены стойки, свободные концы которых выполнены с возможностью закрепления на опорной плите сооружения или на фундаменте, причем каждый ригель расположен между стойками другой упомянутой опорной части, при этом в центральной части ригеля выполнено отверстие, через которое пропущена маятниковая тяга, представляющая собой двойной карданный шарнир Гука, при этом выходы последнего шарнирно соединены каждый с соответствующим ригелем с возможностью поворота относительно вертикальной оси.
Виброизолятор для сооружений включает слой резины с арматурой в виде выступающих за габариты слоя резины прямоугольных металлических пластин , термически прикрепленных к слою резины по опорным поверхностям. На центральных участках боковых поверхностей слоя резины образованы трапециевидные углубления, с плавными сопряжениями прямолинейных и наклонных участков, при этом размеры и расположение углублений на боковых поверхностях из условия сохранения прямоугольной формы деформированного виброизолятора.
4. Фундаменты под машины.
Основные требования к фундаментам:
Фундаменты должны обеспечить стабильную работу машины, механизма, расположенного на нем.
Динамические воздействия от машин не должны угрожающе влиять на фундаменты зданий, сооружений.
Машины и механизмы с уравновешивающим воздействием. (Обычно вращательного типа: эл. моторы, центробежные насосы и т. п. – динамические воздействия возникают в пусковой период или из-за износа отдельных частей).
Машины и механизмы с не уравновешивающим воздействием. (Поступательно-вращательное движение – поршневые насосы, пилорамы, компрессоры, двигатели внутреннего сгорания). Наиболее опасно – совпадение частот колебаний с собственными частотами сооружений (резонансные явления).
Ударного действия. (Молоты, быстродействующие прессы, копры и т. д.).
Прочие. (Станы, станки и т. д.).
А А доп
А доп = 0,1…0,3 мм – предельно допустимые амплитуды колебаний, назначаются в зависимости от вида машины, её обслуживания, возможности без опасной работы человека.
В первом приближении, при условии совмещения ц.т. фундамента и машины, данную систему можно принять за 1 материальную точку. Тогда, в плоской постановке данная система будет иметь 3 вида колебаний:
Вертикальное; горизонтальное и вращательное.
а). Если определяющими являются вертикальные колебания , то дифференциальное уравнение колебаний может быть записано следующим образом:
При решении данного уравнения получим амплитуду вертикальных колебаний
где Р z – вертикальная составляющая возмущающих сил;
К z – коэффициент жёсткости основания при упругом равномерном сжатии [т/м]; К z = С z x F
C z – коэффициент упругого равномерного сжатия [т/м 3 ] (табл. СНиП);
m – масса фундамента и машины;
- угловая скорость (частота) [рад./сек].
б). При (в случае распластанного фундамента, L/h > 3), будем иметь:
К x = C x x F - коэффициент жёсткости основания при сдвиге фундамента по подошве;
С x = 0,7 С z – коэффициент упругого равномерного сдвига.
в). При горизонтальной возмущающейся силе
(в случае высокого фундамента L/h
h
K - коэф. жёсткости основания при упругом повороте; I – момент инерции подошвы фундамента; Q – момент инерции массы фундамента и машины; М – возмущающий момент относительно ц.т.; А z , А x , А - амплитуды, соответственно вертикальных, горизонтальных и вращательных колебаний (поворота).