Устройство массивных фундаментов глубокого заложения

Массивные фундаменты глубокого заложения опираются на плотные грунты, которые часто залегают на значительной глубине от поверхности земли. Фундаменты этого типа возводят опускным способом. Их, как правило, опускают на значительную глубину (есть примеры погружения на глубину более 80 м).

К числу фундаментов глубокого заложения относятся опускные колодцы и кессоны. Опускные колодцы применяют в случае прохождения песчаных, гравелистых и других подобных грунтов. Разработку грунта осуществляют главным образом с помощью грейфера. Кессоны применяются в тяжёлых гидрологических условиях в грунтах с включениями твёрдых тел. У кессона в ножевой части имеется камера, в которой создаётся повышенное давление, препятствующее проникновению воды внутрь. В целях защиты людей от кессонной болезни кессоны опускают на глубину не более 25 м. В настоящее время кессоны применяются только в зарубежной практике, где для разработки грунта используют роботов.

Опускные колодцы представляют собой железобетонные конструкции открытые сверху и снизу. В плане колодцы имеют самую разнообразную форму. Чаще всего для устройства опор мостов применяются опускные колодцы обтекаемой формы. Колодец круглой формы легче погружается в грунт, так как сопротивление трению о грунт его боковой поверхности будет меньше. Круглые колодцы при опускании меньше подвержены кренам и перекосам. Минимальную толщину стен принимают величиной 0,7 м из условий прочности и создания необходимого веса. При толщине стен более 1,8 м извлечение грунта из-под ножа затруднительно.

Чтобы уменьшить сопротивление трения, устраивают уступы в наружных гранях стен колодца по 7 – 15 см или стенам колодца придают наклон 1/100.

На сухом месте колодец сооружают и опускают с предварительно спланированной поверхности грунта; на местности покрытой водой – с отсыпанных или намытых искусственных островков. В пределах глубоких водотоков применяют наплавные колодцы или опускают их с подмостей разных типов.

Порядок устройства фундаментов из опускных колодцев с поверхности островка следующий:

1. Устройство островка;

2. Изготовление тела колодца;

3. Опускание методом последующей разработки грунта и наращивание стен.

Устройство островков

Островки, как правило, отсыпаются из песчаного или песчано-гравелистого грунта. Размеры островка в плане назначаются с таким расчётом, чтобы вокруг будущего сооружения можно было разместить крановое оборудование. Островки отсыпают грунтом с баржи или намывают землесосными снарядами.

При глубине воды до 2-х метров и при скорости течения до 0,8 м/с островки отсыпают с естественными откосами с возвышением их на 0,5…0,7 м над уровнем РУВ (см. рис. А). чтобы откосы не размывала вода их следует укреплять каменной наброской, железобетонными плитами и т.д.

При увеличении скорости течения до 2 м/с и глубины воды до 3 м островки защищают деревянной шпунтовой стенкой от размыва (см. рис. Б).

При высоких скоростях течения островки ограждают шпунтовыми рядами или перемычками. Для укрепления перемычек по периметру на небольшом удалении забивают сваи и устраивают подпорки (см. рис. В).

При больших глубинах ограждения целесообразно делать в плане в виде цилиндров из стального шпунта плоского профиля (см. рис. Г).

В случае, если дно не позволяет забивку шпунта устраивают ряжевые перемычки.

Рис. Устройство опускных колодцев на островках

Изготовление колодцев

На поверхности островков колодцы изготавливают на месте их погружения. Небольшие колодцы высотой до 10 м изготавливают на всю высоту. При глубине прогружения свыше 10 м вначале сооружают ножевую секцию колодца высотой 3-5 м, затем в процессе погружения стенки колодца наращивают секциями высотой по 4-6 м.

Монолитные железобетонные опускные колодцы площадью до 250 м² бетонируют на временных опорах, состоящих из деревянных шаблонов-козлов для формирования ножа и подкладок (см. рис.). Временные опоры равномерно распределяют его вес на большую площадь и предотвращают преждевременное погружение колодца или неравномерную осадку его в процессе бетонирования.

Подкладки изготавливают из бруса или лежней с нижней постелью шириной 20…25 см. Размеры подкладок определяют расчётом из условия возможного давления на грунт величиной 0,1…0,2 МПа. Подкладки располагают равномерно по длине стен на взаимном расстоянии 0,5…1 м. Подкладки втапливают в грунт наполовину их высоты и тщательно подбивают, обеспечивая плотное опирание на грунт. Длину подкладок определяют расчётом на изгиб и принимают на 0,5…1 м больше толщины стен колодца.

Рис. Конструкция временных опор под нож колодца в случае погружения с поверхности земли: 1 – ножевая часть опускного колодца; 2 – шаблоны-козлы; 3 - песчано-гравелистая призма; 4 - опалубка

Монолитные железобетонные опускные колодцы площадью более 250 м² бетонируют в траншеях, имеющих форму и очертание ножевой части.

После проверки горизонтальности положения подкладок на них собирают внутреннюю опалубку с размещением металлических закладных элементов ножа. Далее выполняется армирование. Колодцы бетонируют в деревянной или металлической опалубке. Деревянная опалубка обычно применяется в виде стационарной конструкции, металлическая преимущественно разборно-переставной конструкции. При строительстве опускных колодцев стремятся к применению инвентарных опалубочных форм.

Бетонируют секции колодца горизонтальными слоями с уплотнением глубинными вибраторами. Толщина слоя задаётся проектом и обычно составляет 30…40 см. Укладка каждого слоя бетона должна производиться до схватывания бетона предыдущего слоя. Срок схватывания бетона зависит от свойств цемента, входящего в его состав. Обычно этот срок не превышает 1…2,5 ч.

Для бетонирования опускные колодцы разбивают на блоки, определяемые проектом. Вначале бетонируют нож колодца, затем первый, второй ярус и т.д. высота яруса бетонирования назначается из условий допустимого удельного давления под ножевой частью.

Погружение колодцев

Работы по погружению опускных колодцев в грунт являются наиболее сложными и ответственными. Погружению колодца в грунт предшествуют подготовительные работы.

К подготовительным работам относятся работы по распалубке сооружения, снятию колодца с подкладок. Снимают колодец с подкладок таким образом, чтобы он от состояния равномерного опирания по всему периметру на временные опоры постепенно переходил к равномерному опиранию на грунт. При этом он не должен иметь перекосов и сдвигов относительно начального состояния. Подкладки разрешается извлекать, когда бетон колодца неберёт не менее 70% прочности.

Подкладки извлекают в следующей очерёдности (см. рис.):

1. Удаляют подкладки из-под внутренних и торцевых стен

2. Удаляют симметрично относительно продольной оси колодца каждую вторую подкладку.

3. Симметрично относительно четырёх фиксированных подкладок удаляют все остальные

4. Одновременно извлекают фиксированные подкладки, и колодец врезается ножевой частью в грунт основания.

Подкладки удаляют, подкапывая их сбоку и снизу и выбивая или выталкивая из-под стен. Удаление подкладок сопровождается одновременно тщательной подбивкой песчаного или песчано гравелистого грунта под нож колодца.

Рис. Удаление подкладок из-под ножевой части опускного колодца

После того как нож колодца перейдёт с подкладок на грунт, проверяют правильность осей его в вертикальном и горизонтальном измерениях относительно проектного положения и затем приступают к погружению.

Колодец опускается за счёт преодоления сил трения по боковой поверхности собственным весом. Для этого необходимо, чтобы масса колодца на проектной отметке с учётом потерь веса в воде превосходила величину сил трения не менее чем на 20…25%. Силы трения определяют по опытным данным для грунтов, аналогичных имеющимся на месте опускания колодца. Ориентировочные значения сил трения по боковой поверхности составляют:

песчаный грунт – 1,2…2,5 т/м²;

гравелистый грунт – 1,5…3,0 т/м²;

глинистый грунт – 2,5…5,0 т/м².

Разработку грунта следует выполнять равномерно во всех шахтах, не допуская перекосов. В устойчивых грунтах с малым притоком воды земляные работы ведут с водоотливом, насухо. При проходе несвязных водонасыщенных грунтов колодцы опускают без водоотлива, разрабатывая грунт под водой. Уровень воды в колодце при этом должен быть близок к уровню воды в реке.

В зависимости от свойств грунтов, выбирают способы их разработки и извлечения из колодцев. При связных грунтах плотного сложения обычно применяют четырёхчелюстные грейферы, при супесчаных и суглинистых – двухчелюстные грейферы. Грейфер применяют также при разработке гальки, гравия и крупного песка.

Несвязные грунты, особенно мелкопесчаные разрабатывают с помощью гидромеханизации - эрлифтами, реже гидроэлеваторами.

Рис. Схема погружения опускного колодца с островка, ограждённого деревянным шпунтом.

Опускные колодцы часто применяются в таких геологических условиях, когда основную толщу грунтов составляют очень плотные и скальные грунты. Для облегчения разработки таких грунтов применяют пневматический инструмент или взрывной способ рыхления.

Для производства взрывных работ должна привлекаться специализированная организация. Первоначально грунт рыхлится взрывами в центре колодца, а затем разрабатывается экскаваторами или вручную.

По периметру колодца у ножевой части оставляют берму из невзорванной породы. Грунт бермы вначале разрабатывают одновременно по двум противоположным сторонам пневматическими отбойными молотками или предварительно рыхлят шпуровыми зарядами. Берму разрабатывают с таким расчётом, чтобы скальный грунт был разобран за стенами ножевой части на 10…15 см, а ниже банкетки ножа – на величину равную H, которая ориентировочно составляет 50 см. На место разработанной бермы подсыпают щебёночную призму и укладывают подкладки для увеличения площади опирания ножа колодца. Затем разбирают берму по двум другим сторонам колодца на величину равную H+h. На месте разработанной бермы отсыпают призму высотой h≥ 30см. после отсыпки призм по всем четырём сторонам опускного колодца приступают к его опусканию путём разборки щебёночных призм, отсыпанных первоначально по двум противоположным сторонам колодца. Призмы разбирают постепенно и равномерно. Колодец при этом садится на заранее подготовленные призмы по двум другим противоположным сторонам. В дальнейшем процесс повторяется.

Для облегчения погружения колодца применяются следующие способы:

1. Применение тиксотропной рубашки по наружной поверхности тела колодца. Для применения тиксотропной рубашки вокруг колодца создают свободную полость, в которую подаётся тиксотропный раствор (смесь бентонитовой глины с водой и реагентами). На наружной поверхности стены колодца устраивают уступ шириной 7…15 см, который размещают выше банкетки ножа на 1/5 высоты колодца, но не менее 2…3 м. Высота уступа должна быть такой, чтобы силы трения по ножевой части колодца были бы оптимальными. Высота уступа должна обеспечивать защиту против прорыва тиксотропной суспензии внутрь колодца, а также устойчивость колодца во время погружения.

На наружном уступе стены колодца делается специальный замок, предназначенный для удержания тиксотропной суспензии.

Рис. Схема замка на наружном уступе опускного колодца 1 – металлическая форшахта; 2 – глинистый раствор; 3 – опускной колодец; 4 – замок (уплотнение); 5 – мятая глина; 6 – опорное железобетонное кольцо форшахты; 7 – болт.

2. Устройство конических наружных стен;

3. Продувка воздухом по наружному периметру колодца. Этот способ особенно эффективен при проходке связных грунтов. К наружной стенке в пределах первых захваток бетонирования над ножевой частью присоединяют вертикальные полихлорвиниловые трубки. На них через каждый метр высоты прикрепляются резиновые лепестки-заслонки. После снятия опалубки в трубках под заслонками сверлятся отверстия диаметром 4-5 мм. Нагнетаемый воздух выходит через отверстия, а заслонки предотвращают попадание в систему грунта во время погружения. Сжатый воздух, выходя из отверстий, попадает в зазор между бетоном и массой грунта, снижает сопротивление трению по всему периметру колодца. Объём и давление подаваемого воздуха можно регулировать, открывать разное количество отверстий или отключать какую-либо грань колодца целиком. Давление воздуха должно быть на 50% выше давления воды в уровне острия ножа колодца. Максимальное давление воздуха обычно не превышает 7 кг/см². Продувка позволяет снизить трение о грунт до 20%. Систему полихлорвиниловых трубок впоследствии используют для инъецирования цементного раствора в окружающий грунт после бетонирования тампонажного слоя.

4. Применение подмыва или рыхления грунта. Подмыв используют в твёрдых глинистых грунтах Для этой цели с наружной поверхности стен ярусами по высоте через 3…4 м и через 2 м по периметру устанавливают подмывные трубы (до бетонирования). Необходимо, чтобы в пределах каждого яруса и с каждой стороны колодца можно было обеспечить независимый подмыв.

5. Задавливание домкратами. Основной принцип этого способа состоит в приложении к верхнему обрезу колодца дополнительной силы, создаваемой домкратами, с использованием реакции грунтовых анкеров. Грунтовые анкеры в основном представляют собой работающие на выдёргивание висячие сваи. При этом их несущую способность по грунту определяют на длине ниже проектной отметки заложения подошвы фундамента. В случае использования этого метода, стенки колодца делают заведомо более толстыми, чем это требуется по конструктивным прочностным расчётам. Этот способ даёт возможность эффективно управлять процессом погружения, устранять завалы и смещения. Возможно его применение в сочетании с продувкой или подмывом.

Рис. Принципиальная схема системы задавливания: 1 – гидравлический домкрат, 2 – стальная опора, 3 – стальная распределительная балка, 4 – кран, 5 – домкраты, соединённые с грунтовыми анкерами.

После достижения заданной в проекте отметки колодцы заполняют бетоном насухо. Тампонажную подушку устраивают методом ВПТ. Толщина слоя бетона, укладываемого подводным способом должна быть не менее 1 м.