Раздел 6. Фундаменты глубокого заложения

6.1. Опускные колодцы.

6.1.1. Сущность метода, область применения.

Сущность метода. Опускной колодец представляет собой оболочку, которая погружается в грунт под действием собственного веса в результате разработки грунта у её ножевой части. В процессе опускания наращивают стенки колодца. После достижения проектной глубины пространство внутри колодца полностью или частично заполняют бетоном.

Область применения. Опускные колодцы применяют для устройства фундаментов под тяжёлые сооружения (мосты, башни и др.), в городском строительстве для объектов коммунального хозяйства. Опускные колодцы применяют в таких геологических условиях, когда грунты, обладающие достаточной несущей способностью, залегают на значительной глубине.

Затруднительно и нецелесообразно применять:

· Когда большая толща слабых водонасыщенных грунтов содержит крупные включения (валуны, скальные прослойки);

· Когда в основании залегают скальные грунты, имеющие наклонную поверхность.

Опасно опускать в малопрочные грунты по соседству с фундаментами существующих сооружений.

Рис.65. Сооружение фундамента методом

опускного колодца.

6.1.2. Конструкции опускных колодцев.

Опускные колодцы можно классифицировать по: материалам – бетонные, железобетонные (чаще всего), металлические;

способу изготовления – монолитные, сборные, сборно-монолитные;

способу погружения – опускаемые под действием собственного веса, принудительно погружаемые с помощью пригрузка или вибропогружателей;

форме колодца в плане;

числу и расположению колодцев в плане фундамента.

Рис.66. Формы опускных колодцев в плане

Так как давление с глубиной значительно возрастает, то чаще всего опускные колодцы проектируют цилиндрической формы, а так же прямоугольной формы в плане с закруглёнными углами. Толщина стен 0,7…0,5 м. Наружные поверхности стен колодцев могут быть вертикальными, наклонными (выше первой секции), с одним или несколькими уступами по высоте.

Колодцы с вертикальными стенками – наиболее устойчивые и простые в изготовлении.

При глубине погружения более 8…10 м. для снижения трения применяют следующие мероприятия:

1) создание наружных 2) устройство стенки с уступом

наклонных граней

3) погружение в тиксотропной рубашке

1 – уплотнитель (уголок)

2 – глинистый замок

3 – тиксотропная рубашка

4 – инъекционная труба

В тиксотропной рубашке толщину стен уменьшают до 0,4…0,6 м.

6.2. Расчёт опускных колодцев.

6.2.1. Расчёт на эксплуатационные нагрузки.

В ходе расчёта устанавливают размеры фундамента в плане и глубину его заложения.

Р – внешняя нагрузка на колодец;

G_ф – собственный вес колодца;

Рис.67. Расчетная схема опускного колодца

Р_тр – сила трения;

u_i – периметр по внешнему контуру;

f_i – расчётное сопротивление грунта сдвигу по боковой поверхности, принимаемое как для забивных свай;

h_i – мощность i- го слоя грунта.

6.2.2. Расчёт на строительные нагрузки.

В период строительства на колодец действуют силы, с учетом которых определяют толщину стенок, необходимое сечение арматуры и класс бетона.

Действующие на этой стадии нагрузки после опускания колодца полностью или частично теряют своё значение.

1) Проверка достаточности веса колодца для его опускания.

G_к – расчетный вес колодца;

G_опр – сила тяжести пригрузки;

Р_тр.п = – расчётное значение предельной силы трения;

R_н – предельная сила трения сопротивления грунта под ножом колодца;

- коэффициент надёжности, .

2) Расчёт первой секции колодца на изгиб.

По изгибающим моментам проверяют размеры, армирование и класс бетона.

Подбирают кольцевую арматуру первой секции.

3) Расчёт стен колодца на разрыв.

Достаточный запас прочности можно получить при распределении сил трения по боковой поверхности колодца по закону треугольника с нулевым значением их у ножа и наибольшим значением f_м у верха колодца.

Полный вес колодца:

где d – глубина погружения колодца;

u – его периметр.

Растягивающие усилие в сечении колодца на высоте z над ножом:

,

Положение опасного сечения определяют, приравняв нулю производную от N_z

; z=d/ 2;

Тогда наибольшее усилие будет N _max = 0,25 G_к

По величине растягивающего усилия подбирают сечение вертикальной арматуры.

4) Расчёт стен колодца на изгиб в горизонтальном направлении.

В нижней части колодца рассчитывают участок стены над консолью высотой равной толщине стены. Выделенный участок рассчитывают как раму, на которую действует снаружи равномерно распределённая нагрузка интенсивностью

– коэффициент активного давления зависит от угла внутреннего трения.

По найденным усилиям и моментам подбирают сечения арматуры, размещаемой горизонтально.

Выше лежащие участки стен колодца рассчитывают аналогично, причём по высоте колодец делят на несколько зон. Для расчёта в каждой зоне выделяют участок высотой в 1 м.

5) Проверка колодца на всплытие.

Такую проверку делают для случая, когда колодец опущен на проектную отметку, уложена подушка подводного бетона и откачана вода из внутренней полости колодца.

,

G_кп – расчётный вес колодца с подушкой;

Р_тр.п – предельная сила трения;

h_в – расстояние от низа подушки до уровня воды;

А – площадь колодца по наружным размерам;

– коэффициент надёжности.

6.3. Кессоны.

6.3.1. Сущность метода, область применения.

При кессонном способе ведения работ в рабочую камеру подаётся сжатый воздух, под давлением которого вода вытесняется из камеры, что позволяет разработку грунта вести насухо. Рабочая камера ограждена кессоном, имеющим боковые стенки – консоли и потолок. На потолке кессона по мере его погружения ведут надкессонную кладку из бутобетона.

Использование кессонов позволяет выполнять работы в любых грунтовых условиях ниже горизонта вод и при наличии в грунтах любых препятствий.

Достоинства метода:

1) возможность устройства в любых грунтах;

2) возможность проведения в рабочей камере освидетельствования грунтов основания, испытания и даже закрепление грунтов.

Недостатки метода:

1) вредное воздействие сжатого воздуха на организм человека;

2) сложность и трудоёмкость кессонных работ;

3) наибольшая глубина погружения кессонов ниже горизонта вод, зависящая от максимально допустимого безопасного давления сжатого воздуха на организм человека, составляет 38 м.

6.3.2. Конструкция кессона.

Конструкция кессона зависит от его размеров в плане, принятого способа опускания и разработки грунта, несущей способности грунтов, проходимых в начальный период погружения.

а) массивные кессоны – изготавливаются железобетонными с гибкой арматурой;

б) кессоны шириной более 12 м. с потолком ребристой конструкции (рёбра в одном или двух направлениях);

в) кессоны пустотелые – устраиваются железобетонными, железобетонными с жёстким металлическим каркасом.

6.3.3. Схема работ и охрана труда при кессонных работах.

В пассажирских прикамерках давление сжатого воздуха нужно изменять постепенно, чтобы не вызвать болезненных явлений в организме человека.

Рис.72. Кессонный способ устройства фундамента: 1 – рабочая камера; 2 – стенки-консоли; 3 – кессон; 4 – водонепроницаемая обшивка; 5 – надкессонная кладка; 6 – воздуховодные трубы; 7 – компрессорные станции; 8 – воздухосборник; 9 – маслоотделитель; 10 – воздуховодные трубы к шлюзовому аппарату; 11 – материальный прикамерок; 12 – подмости; 13 – шлюзовой аппарат; 14 – пассажирский прикамерок; 15 – шахтные трубы; 16 – сифонные трубы; 17 – потолок кессона.

Наиболее опасен переход человека из зоны повышенного в зону нормального давления. Вследствие этого время вышлюзовывания должно значительно превышать время шлюзования.

Давление сжатого воздуха в рабочей камере зависит от величины заглубления ножа кессона ниже горизонта вод.

Избыточное давление

- разработка грунта без применения гидромеханизации;

- разработка грунта с применением гидромеханизации.

- допустимая разность гидростатического и воздушного давления, зависящая от физических свойств грунта.

6.3.4. О расчёте кессонов.

Кессонный фундамент рассчитывают на эксплуатационные нагрузки с учётом его заделки в грунте. Расчёт аналогичен расчёту опускного колодца. При расчёте на эксплуатационные нагрузки определяют внешние размеры фундамента. Расчёт на строительные нагрузки рассматривается в специальной литературе.