Автор: Кнаупе В.
Теги: подземное строительство земляные работы фундаменты строительство тоннелей водоснабжение гидродинамика
ISBN: 5-274-00216-1
Год: 1988
Текст
BAUGRUBEN-
SICHERUNG
UND WASSER
HALTUNG
Prof. Dr. sc. techn. Werner Knaupe
BAUGRUBEN-
SICHERUNG
UND
WASSER-
HALTUNG
В.Кнаупе
Устройство
котлованов
и водо-
понижение
2., durchgesehcne und verbesserte Au fl age
mit 282 В i Idem und 35 Tafeln
Перевод с немецкого
М.Ф. Губина
Под редакцией
канд.техн.наук В.Н. Бурлакова
и канд.техн, наук В.В. Сорокина
Москва Стройиздат 1988
УДК 624.152
Кнаупе В. Устройство котлованов и водопонижение /
Пер. с нем. М.Ф. Губина; Под ред. В.Н. Бурлакова и
В.В. Сорокина* — М.: Стройиздат, 1988. — 376 с.,ил.—
ISBN 5-274-00216-1. Перевод, изд.: Baugruben sicherung
and wasser haltung / W. Knaupe. - VEB Verlag fur Bau-
wesen, Berlin.
В книге автора из ГДР на практических примерах рассмотре-
ны вопросы устройства котлованов, их крепления и защиты от
воздействия грунта и воды. Особое внимание уделено анализу
гидродинамических воздействий потоков грунтовых и фильтра-
ционных вод. Приведены варианты крепления котлованов и спо-
собы устройства водоотливов. Книга содержит обширный спра-
вочно-расчетный материал.
Для научных и инженерно-технических работников научно-ис-
следовательских и проектных организаций.
Табл. 35, ил. 281, список лит.: 232.
Рецензент - канд. техн, наук Ю.А. Багдасаров
К - ЗЮМОООО -?50
047(01) -88
170—88
ISBN 5-274-00216-1
© VEB Verlag fur Bauwesen,
Berlin. 1979
© Перевод на русский язык,
Стройиздат, 1988
ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ
Решение вопросов жилищного и промышленного строительства» а
также реконструкции старых сооружений» включая транспортные узлы
и техническое обеспечение» требует комплексного подхода. Значитель-
ная часть средств» выделенных на транспортное строительство, затра-
чивается на крепление стенок котлованов и водопонижение, так как
геологические, гидрогеологические и другие условия часто требуют
применения сложных технико-конструктивных и технологических
решении.
Инженер-строитель как во время подготовки, так и в процессе про-
изводства работ ниже отметки поверхности земли несет большую от-
ветственность, так как от выбора приемлемого решения зависит не
только эффективность строительного процесса, как, например, выемка
грунта или водопонижение, но также безопасность и эффективность
производства работ в целом.
Задача настоящего издания заключается в изложении практических
вопросов, возникающих при сооружении котлованов и их закреплении
от давления грунта и прорыва грунтовых вод. В книге приводятся прак-
тические, технологические и конструктивные решения по закреплению
откосов и стенок котлованов, а также рассматриваются вопросы про-
, изво детва работ, водопонижения и водоудаления, их технологии.
На основе предложенных конструктивных решений стенок и описан-
ных методов водопонижения можно решать вопросы сооружения малых
и средних котлованов, не вдаваясь в сложные теоретические проблемы.
Расчет устойчивости стенок котлованов больших размеров в сложных
грунтовых условиях требует привлечения дополнительных материалов.
Особое внимание уделено возможным гидродинамическим явлениям,
возникающим при выемке грунта. Подробно рассматриваются явления
выпора грунта и гидравлического его разрушения, при этом предлага-
ется новый метод расчета. При изложении данных вопросов автор исхо-
дил из того, что большинство котлованов сооружается в рыхлых грун-
тах. Поэтому вопросы устройства котлованов в прочных скальных грун-
тах не рассматривались. Необходимо отметить, что автор использует
термин ’’рыхлые грунты” вместо все еще употребляемого термина
’’грунтовой материал”.
Вопросы технологии производства земляных работ и закрепление
стенок котлованов рассматриваются совместно. Более подробно вопро-
сы технологии производства земляных работ будут изложены в спе-
циально посвященной этой теме книге.
Предлагаемая книга предназначена проектировщикам для решения
технических и технологических вопросов, возникающих при проекти-
ровании и сооружении котлованов, технологам в качестве справочного
издания и студентам. Она является продолжением ранее выпущенной
книги ’’Котлованы и водоудаление”.
Автор благодарит проф. канд. техн, наук Э. Накеля за помощь в напи-
сании гл. 6, а также проф. д-ра техн, наук П. Бильда и дипломирован-
ного инженера К.Х. Филарета за ценные замечания.
Автор благодарит издательство ’’Ферлаг фюр Баувезен” за оформле-
ние и издание этой книги.
Лейпциг, май 1978 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ
Первое издание настоящей книги было полностью реализовано в те-
чение нескольких месяцев. Это свидетельствовало о потребности в
литературе подобного рода и привело к тому, что издательство и автор
решили выпустить в наиболее короткий срок второе издание данной
книги. Новое издание не претерпело принципиальных изменений, но
было значительно расширено и дополнено.
Автор выражает надежду, что и второе издание будет способство-
вать распространению новых знаний, рекомендаций и указаний.
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ
И РАСЧЕТОВ
Котлованы представляют собой выемки, выполненные в мягких
или прочных скальных грунтах и предназначенные для различных строи-
тельных целей, — расположения фундаментов сооружений, образования
рабочих поверхностей для установки конструкций или прокладки под-
земных туннелей для выполнения различных работ.
Котлованы в основном должны быть сооружены таким образом,
чтобы устойчивость откосов или стенок, несущая способность их основа-
ний и отвод грунтовых вод были обеспечены на все время производства
строительных работ.
При выполнении работ под водой должны быть выполнены различные
специальные защитные и другие мероприятия.
Сооружение котлованов представляет собой относительно само-
стоятельный вид строительных работ, которые выполняются в различ-
ных геологических и гидрогеологических условиях, что требует также
применения различных способов крепления откосов.
1.1. НАЗНАЧЕНИЕ КОТЛОВАНОВ
Назначение котлованов заключается в восприятии нагрузок, возни-
кающих от всех выше расположенных конструкций или сооружений.
Кроме того, в процессе их сооружения и защиты от грунтовых вод
должна быть обеспечена безопасность проведения всех строительных
работ ниже отметки поверхности земли.
Конструкции крепления стенок или откосов котлованов должны
воспринимать все нагрузки от давления грунта и грунтовых вод и
защищать его от их оползания или обрушения и затопления. Как прави-
ло, котлованы выполняются открытым способом и имеют естествен-
ные необлицованные откосы (рис. 1.1) или облицованы и защищены
стенками (рис. 1.2), а в отдельных случаях могут выполняться подзем-
ным способом. Способ сооружения и конструктивное решение крепле-
ния стенок зависят от гидрологических и технологических условий,
что приводит к необходимости отыскания наилучшего из возможных
вариантов.
Основными факторами, влияющими на конструкцию котлована, яв-
ляются :
геометрические размеры конструкции, для которой сооружается
котлован;
глубина выемки;
геологические и гидрологические условия;
технология выполнения земляных и строительных работ по сооруже-
нию основания;
местные условия;
5
Рис. 1.1. Котлован с необ лицованным и откосами
возможная продолжительность его сооружения;
имеющееся строительное оборудование.
Котлованы должны сооружаться с учетом вышеперечисленных фак-
торов и исключением возможности обрушения откосов, разрушения
основания котлована, возникновения плывунных выносов и прорыва
грунтовых вод.
Крутизна откосов котлована должна быть определена расчетом с уче-
том геологических условий или по технологическим условиям. Устой-
Рис. 1.2. Котлован с двухступенчатыми заанкеренными
подпорными стенками
6
£ Рис. 1.4. Сооружение ленточных фундаментов
2 — установка для приготовления суспензии; 2 -
? раствор, предохраняющий траншею от обрушения;
? 5 ~ отметка пола подвала; 4 - бетононасос; 5 - бетон-
; пая стенка в грунте
Рис. 1.3: Кран с гидравли-
ческим приводом и грей-
фером
Рис. 1,5. Установка и забивка сваи
чивость откосов должна быть обеспечена конструктивными мерами
или инженерно-биологическими методами, или путем соответствующего
профилирования и бермами.
Котлованы для большого числа близко расположенных фундаментов
с сильно различающимися размерами по технологическим причинам
обычно объединяются и представляются как единый объем, поскольку
в этом случае их стоимость с учетом применяемой техники по выемке
грунта может быть значительно снижена.
В промышленном и жилищном строительстве чаще всего применяют-
ся относительно узкие фундаменты. К ним относятся:
фундаменты для отдельно стоящего здания или ленточные фундамен-
ты, имеющие многочисленные прямые углы;
отдельно стоящие бетонные свайные фундаменты малоэтажного
строительства (рис. 1.3);
фундаменты, выполняемые в виде стенок различной длины (рис.
1-4);
фундаменты, выполняемые в виде стенок-прорезей;
свайные фундаменты (рис. 1.5).
Выемку грунта при сооружении отдельных фундаментов (сооруже-
ний) , свайных или траншейных фундаментов в целях уменьшения объе-
ма обычно производят при помощи гидравлически управляемых экска-
ваторов (с ковшом на гибкой подвеске). Аккуратное выполнение
работ подобными машинами позволяет получать выемки относительно
небольших размеров. Так как при выполнении земляных работ прихо-
дится одновременно выполнять ряд других, например, облицовку для
укрепления стенок котлованов или траншей, уплотнение грунта и др.,
то при проектировании должны учитываться все необходимые этапы ра-
бот с целью обеспечения максимальной экономии.
Рис. 1.6, Варианты сооружения отдельно стоящих фунда-
ментов
а — котлованы с откосами код каждый отдельный фун-
дамент; б — траншейный котлован; в — установка фунда-
ментов в котлованы с вертикальными стенками
8
Некоторые примеры выполнения работ по сооружению фундаментов
приведены на рис. 1.6. При проектировании котлованов необходимо
учитывать, что при выборе способа производства работ учитывается
последовательность выполнения всех этапов- Выбранный способ креп-
ления откосов котлована влияет на ход выполнения последующих эта-
пов работ вплоть до их полного окончания. Например, крепление стенок
котлована инъекционными анкерами может позволить выполнить земля-
ные, бетонные и монтажные работы более удобными и эффективными
способами, чем в случае применения обычных подпорных стенок или
обшивки. Кроме того, местные условия, как, например, гидрогеологи-
ческие условия или стесненность при выполнении работ по реконструк-
ции, необходимость сокращения времени выполнения работ и экономии
рабочей силы, степень механизации работ должны также учитываться
при выборе типа котлована под фундамент и способа крепления его от-
косов. Оптимальный способ крепления откосов или стенок котлована
зависит также от результатов статического расчета и конструктивного
решения вопроса с учетом технологического процесса создания котло-
вана под фундамент.
1.2. ОСНОВНЫЕ РАЗМЕРЫ КОТЛОВАНОВ
Горизонтальные и вертикальные размеры котлованов определяют-
ся с учетом их назначения, применяемых механизмов и технологии их
сооружения. При определении размеров необходимо установить следую-
щие размеры котлована: поперечное сечение, его глубину, заложение
откосов боковых поверхностей, создание боковых берм, наличие и раз-
меры уступов в поперечном сечении.
Размеры котлованов определяются не только в зависимости от гео-
метрических размеров необходимых фундаментов, но также с учетом
способа производства работ, необходимого пространства для их выпол-
нения, места для размещения машин и механизмов, с учетом простран-
ства, занимаемого конструкциями крепления стенок котлована и раз-
мещения при необходимости установок для осуществления водопони-
жения. Ширина пространства, необходимого для производства работ,
обычно определяется технологическими условиями. Минимально не-
обходимая ширина технологического пространства приведена в табл. 1.1
[211]. В качестве пространства, необходимого для выполнения работ,
является (рис. 1.7) :
Таблица 1.1
Тип сооружения ‘ Ширина рабочего пространства а. мм
необлицов энный откос с углом наклона /3 вертикальная стенка котлована
<45° | > 45°...<60°Р> 60°...<80°
При наружном диаметре трубы, высоте канала или сооружения, мм: <500 200 200 300 300 > 500...1000 300 350 400 500 > ЮОО 500 500 500 500
9
Продолжение табл. L1
Тип сооружения Ширина рабочего про стран ста а а, мм
необлицоваяньй откос с углом наклона /3 <45° >45°...<60° >6О°..Х&О° вертикальная стенка котлова- на
Сооружения или каналы с против ©фильтрационным уплотнением 500 800 800
Сооружения или каналы с защитой от напорных грунтовых вод 650 800 1100
в котловане с облицованными или необлицованными стенками — рас-
стояние между стенкой или подошвой откоса и внешней стороной
сооружаемого фундамента (например, стенки, возводимой в опалубке).
в котлованах с подпертыми стенками -- расстояние между внешней
деталью стенок и сооружаемым фундаментом.
Минимально необходимая рабочая ширина котлована может быть
уменьшена в исключительных случаях.
Ширина траншеи по дну определяется как сумма ширины сооружае-
мого фундамента с учетом установки опалубки и удвоенной минималь-
но необходимой рабочей ширины обшивки или стенок котлована. Мини-
мальные размеры по ширине в этом случае определяются по табл. 1.2.
В случае появления каких-либо дополнительных условий и размеров
ширина котлована должна быть увеличена [211].
Если в котловане предусмотрено размещение многочисленных ком-
муникаций (трубопроводов, шлангов и др*), то при определении рабочей
ширины должны учитываться их размеры и необходимые для их уклад-
ки проходы [219].
Рис. 1.7. Рабочая ширина при прокладке трубопроводов (л) и устройстве фунда-
мента (б)
10
Таблица 1.2
Тип ленточного котлована Глубина котло- вана мм Минимальная ши- рина мм
Котлован с облицовкой стен: незакрепленный вертикальный 600 300
откос незакрепленный вертикальный 600... 1250 600
откос с нагруженной обшивкой 1250...1750 800
откос Любая 300
Котлован не облицован ** 300
При определении рабочей ширины многоярусных котлованов (рис.
1,8) необходимо учитывать условия образования рабочих зон на пло-
щадках каждого яруса. Глубина выемки определяется функциональным
назначением котлована, геомеханикой основания и глубиной промерза-
ния грунта в зимний период. При этом необходимо учитывать следую-
щие обстоятельства (рис. 1.9, а) -
Рис. 1.8. Определение строительных размеров для ступенчатых котлованов
Высота уступа й, мм Рабочая ширина
500, 1000
>1000 .. . 1500
> 1500
а + 100
а + 200
а + 300
Примечание. Значение а определяется по данным табл. 1.1
Рис. 1,9. Основные параметры оснований
с — фундамент мелкого заложения; б — свайный фундамент; 1 — отметка по-
верхности земли (бытовая); 2 — естественная поверхность земли; 3 — поверх-
ность земли после окончания строительства; 4 — отметка пола подвального поме-
щения; 5 - отметка подошвы фундамента; 6 - отметка на котловане ,
5м
11
глубина котлована гв определяется как разница отметок естествен-
ной поверхности земли и дна котлована;
глубина выемки грунта под котлован 1а определяется как разность
отметок поверхности строительной площадкидна котлована;
глубина заложения подошвы фундамента с внешней стороны зда-
ния иа есть разность отметок свободной поверхности земли после окон-
чания строительства с учетом защиты от температурных влияний дк по-
дошву фундамента;
глубина заложения подошвы фундамента изнутри здания itj - это
минимальное расстояние между отметками пола подвального помеще-
ния и подошвы фундамента [209].
Значение глубины котлована от поверхности строительной пло-
щадки определяется и должно удовлетворять условиям, приведенным
в [209].
1.3. РАЗБИВКА КОТЛОВАНОВ
Разбивочные размеры для ограничения размеров котлована опреде-
ляются на основании технического и технологического проекта его со-
оружения и изображаются на разрабатываемом плане. При помощи
этого плана, производятся, во-первых, определение количественных
данных, и, во-вторых, подготовительные работы для выполнения ра-
бот по сооружению котлована, и поэтому он должен содержать следую-
щие детализации:
план и поперечный разрез котлована со всеми входящими дополни-
тельными деталями, как, например, подъездными дорогами, траншеями
для водоотлива и водоотвода и др.;
осевые линии строящегося фундамента как исходные данные для
определения размеров котлована;
геологические и гидрогеологические условия в месте устройства
котлована;
план существующих коммуникаций, установок, сооружений и др.;
тип сооружаемого котлована, наличие грунтовых вод;
привязка осей сооружаемого фундамента, расположение привязоч-
ных реперов и осевых линий фундаментов.
Осевые линии стенок котлована в соответствии с планом с по-
мощью привязочных точек размечаются на местности шнурами, так
как обычно при непосредственной разметке на местности в дальней-
шем происходит перенос намеченных осей в связи с разрушением репе-
ров. Осевые линии сооружаемых фундаментов во многих случаях разме-
чаются при помощи шнуров, протягиваемых вдоль их оси. Конструкция
для закрепления осей может располагаться как за пределами, так и в
пределах котлована, как это показано на рис. 1.10. Осевые линии отме-
чаются на закрепленных на столбах горизонтальных досках по углам
котлована.
Для котлована с незакрепленными откосами расстояние между
фундаментом и границей котлована w определяется по формуле (рис. 1.7):
+я + «й w=d +a + d (1.1)
где — ширина опалубки сооружаемого фундамента; а — минимально необходи-
мая ширина рабочего пространства; d? — ширина, необходимая для расположения
обшивки стен котлована; I = nhQ — проекции незакрепленных откосов котлована.
12
Рис. 1.10. Размещение приспособлений для разбивки котло-
вана
а — вне пределов котлована; б — внутри котлована
На плане строительной площадки вычерчиваются сооружаемый фун-
дамент и котлован под него. В случае сложного рельефа местности
разбивочные размеры котлована наносятся с учетом геометрических
правил перенесения их на горизонтальный план. На рис. 1.11 показана
разбивка угловых точек котлована для участка, имеющего уклон. Внеш-
ние разбивочные размеры Л . . . Б и & . . J могут быть получены гра~
фическим построением или аналитическим расчетом. Для этого вначале
по принятому значению заложения крутизны (наклона) поверхности
земли определяется значение проекции откосов по осям х и у
m =m / sin a; m ~m / cos а.
л У
Горизонтальная проекция откоса котлована на вертикальном разрезе
определяется для разбивочных точек из выражений:
nh. nh
I =-------1----И 7 =------2----
I— n / m 2X 1+n/m
Тогда в общем виде для i-й точки по осям х и у получим:
nhf
при повышении отметки местности I- --------*-----' (1 2а)
-Л- У
при понижении отметки местности
I = ____
*-У 1+п/т ~
.Л
(1.26)
Значения Л/ определяются простым подсчетом. Для угловых точек
Е1Х, , Eflx и Е , . . . , Е разбивка теперь может быть легко осу-
ществлена, если выбрать какую-нибудь нулевую точку отсчета. Эти зна-
13
Рис. ГД1- Разбивка котлована и его откосов на наклонном участке
чения могут быть определены из простой формулы пропорциональ-
ности:
- \)-
Тогда для каждой граничной линии можем записать уравнение
gi=y = mfi^bi.
Координаты точек определяющих контур котлована,
должны удовлетворять вышеприведенному уравнению* Так, например,
у - т x + Z>1 и у = т^х + Ь2 - Если теперь придать значениям хиу опре-
деленные конкретные значения xQ и у0, то уравнения примут конкрет-
ный вид для рассматриваемого случая. Таким образом определяются
координаты угловых точек. При помощи (1.1) можно для внешних
размеров Л-и Ь- записать следующие зависимости:
+ + + +хо/; (1-За)
b = b{2 + w=b/2 + d +а -уп-. (1-36)
14
1.4. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ СТАТИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ ГРУНТА
При проектировании котлованов необходимо проведение расчетов
по обеспечению статической устойчивости откосов или стенок (кроме
тех случаев, когда устойчивость может быть определена по имеющимся
каталогам, номограммам и др.). Эти статические расчеты, также как
конструктивное решение по ее обеспечению, входят как составная часть
в проект. Также должны быть рассмотрены вопросы обеспечения ста-
тической устойчивости крепления стенок котлована и его жесткости.
Далее основные положения расчетов статической устойчивости грун-
тов рассматриваются в объеме, необходимом для расчетов отдельных
небольших и средних котлованов, возводимых в обычных грунтовых
условиях.
1.4.1. Исходные положения. Исходными предпосылками для расче-
тов являются:
ширина котлована постоянна по длине;
грунтовые условия одинаковы по обеим сторонам котлована;
обе стороны котлована имеют одинаковые конструктивные решения
по креплению стенок;
отсутствие потоков грунтовых вод и фильтрации воды в котлован.
Для проведения дальнейших расчетов необходимы следующие харак-
теристики грунта:
плотность в естественном состоянии рл;
фактическое с' и кажущееся с значения коэффициента сцепления;
фактический Ф' и кажущийся Фм угол внутреннего трения;
влажность грунта w.
При использовании основных положений механики несвязных
грунтов необходимо учитывать возможность изменения плотности и
влажности грунта, в связи с чем расчеты по статической устойчивости
должны быть проведены для всех значений изменяющихся характе-
ристик и их возможных комбинаций. Необходимо также учитывать
отклонения коэффициентов от среднего их значения, а также веро-
ятность ошибки при их определении. Расчетные уравнения [205] реша-
ются для всех возможных комбинаций характеристик грунтов или,
для упрощения расчета, можно использовать самые неблагоприятные
их сочетания.
При связных грунтах с коэффициентами > 0,35 и /^ > 0,20 [208]
необходимо проведение сравнительного анализа возможных значений
всех параметров при изменении напряженного состояния грунта под
воздействием порового давления. В последующих расчетах и при кон-
струировании крепления стенок принимается самый неблагоприятный
случай.
Сцепление учитывается при расчетах лишь в тех случаях, когда имеют
место ненарушенные грунты, залегающие ниже глубины промерзания
в зимнее время годэ. При изменяющихся значениях сцепления во време-
ни в расчетах должно учитываться минимальное его значение как самое
неблагоприятное. Кажущееся сцепление для несвязных грунтов (капил-
лярное сцепление) должно учитываться только в случаях, описываемых
в 2.3.1, т.е. когда не допускается высыхание или замачивание их водой.
Значения > 2 кН/м2 должны учитываться только в особых случаях.
Плотность в слоях, расположенных выше уровня грунтовых вод,
определяется по формуле
15
+и) = -"ЭМ1 = /v- u-4)
При наличии в грунте воды плотность в естественном состоянии Psr~ (1-
~”Ч + nPw
Естественная плотность грунта в слоях, расположенных ниже уровня
грунтовых вод, определяется как
₽' = (l-n)(p, -pw) ~psr-pw~ (ps-pw)IO +е). (1-5)
Приближенно можно принять р' - 0,62pj.
При отсутствии точных значений характеристик грунтов в случаях
устройства котлована глубиной не более 5 м на площадке с простейши-
ми геологическими условиями значения угла внутреннего трения и дав-
ление грунта могут быть определены по работе [227]. В дальнейшем вид
грунта может быть определен по показателям, приведенным в работе
[205], а его характеристики — по данным работы [207] . В табл. 1.3
приведены допустимые значения характеристик грунта для рыхлых
грунтов при условии содержания в них пылеватых частиц для различ-
ного насыщения водой, в табл. 1,4 — действующие значения углов внут-
реннего трения Ф' и коэффициента сцепления с' для рыхлых грунтов.
Таблица 1.3
а) давление для несвязных песков и гравия [227]
Грунт Влажность Степень не- однороднос- ти зернового состава Давление грунта, кН/м3
рых- лый средний плот- ный
Гравий и Естественная <3 15 17 18
песок >3 17 18 20
В водонасыщенном ^3 19 20 21
состоянии > 3 20 21 22
С учетом взвешивания <3 9 10 И
в воде > 3 10 11 12
б) удельный вес грунтов для связных песков, пылеватых песков и глин [227]
Грунт Влажность Удельный вес грунта ?, кН/м3, при консистенции
МЯГКИЙ твердый | полутвердый
Гравий и песок с мелкими включени- ями Естественная с учетом взвешивания в воде 20 11
Гравий и песок с Естественная с учетом 19 20 21
включением пыле- взвешивания в воде 10 11 12
ватых и глинистых частиц Пылев ато-г линистые, Естественная с учетом 18 19 20
глины взвешивания в воде 9 10 11
16
Продолжение табл. 1.3
в) плотность несвязных грунтов [142]
Грунт Влажность Степень не- одно роды ос- ти зернового состава U Плотность р, т/м3, при плотности сложения
< 0,33 0,33. „0,67 >0,67
Гравий и песок Естественная влаж- ность грунта р„ (wn= 0,04. ..0,06) < 3 3...7 > 7 1,5.„1,6 1,6..Д,7 1,7..Л,8 1,6..Л,75 1,7 ..Л ,85 1,8-1,95 1,7-1,8 1,8—1,9 1,95...2,05
В во до насыщенном состоянии < 3 3...7 > 7 1,9 1,95...2,0 2,0...2,05 1,95...2,00 2,0-2,1 2,05.-.2,15 2,0...2,05 2,1—2,15 2,15—2,25
с учетом взвешива- ния в воде р' < 3 0,9 3—7 0,95.. Л ,00 >7 1,1...1,05 0,95-1,0 1,0..ЛД 1,05 ..Л, 15 1,0.. Л,05 1,10.-1,15 1,15-1,25
Таблица 1.4
а) действующее значение угла внутреннего трения Ф7 [227]
Грунт Ф\ при плотности сложения /р
< 0,33 0,33-0,67 > 0,67
Несвязный гравий Несвязный песок Песок с гравием Средний и крупный песок Мелкий песок Гравий с мелкими частицами Песок с мелкими частицами Пылевато-глинистый гравий, пылевато- глинистый песок, пылеватые частицы Пылеватые пески с глинистыми частицами Пылеватые глины 33 36 40 30 34 38 35 36-38 40 31 34-36 38 28 32-34 36 33 30 27 25 20
б) значение фактического угла внутреннего трения Ф* и сцепления с'
для связных грунтов [142]
Коэффициент пористости е Влажность на границе пластичности IVр Сцепле- ние с кН/м2 Угол внут- реннего трения Ф\
0.4-0,5 0,09-0,12 6,0 25
>0,12-0,15 21,0 24
0,5 ...0,6 0,09-0,12 4,0 24
> 0Д2...0,15 10,0 23
> 0,15...0,18 25,0 22
0.6...0,7 0,9-ОЛ 2 3,0 23
0,12-ОД 5 7,0 22
0,15...ОД 8 12,0 21
0,18-0,22 34,0 20
2-74'1
17
Продолжение габл. 1.4
Коэффициент пористости с Влажность на границе пластичности и> Сцепле- ние с', кН/м2 Угол внут- реннего трения Ф', °
0,7... 0,8 0,12...0,15 3,0 21
> 0Д5...ОД8 10,0 20
> 0Д8...0.22 17,0 19
> 0Д2...0.26 41,0 18
0.8...1Д 0,15...0,18 5,0 18
> ОД 8-0,22 12,0 17
> 0,22-0,26 19,0 16
> 0,26-0,30 35,0 15
Нагрузка от транспорта по краю котлована принимается в соответст-
вии с конкретными местными условиями. Нагрузка, возникающая от
складирования строительных материалов на площадке, может прини-
маться равной 10 кН/м2 и должна прикладываться от края котлована,
несмотря на то, что, как это показано на рис. 1.12, вдоль самого края
должна устраиваться свободная полоса шириной не менее 0,6 м. При
необходимости складирования вдоль края котлована тяжелых материа-
лов или оборудования устраиваются специальные крепления края котло-
вана или проводится специальный дополнительный расчет по обеспече-
нию его устойчивости.
При движении автотранспорта массой до 24 т вдоль котлована не
ближе 3 м от края нагрузка от него заменяется равномерно распреде-
ленной ро = 10 кН/м2. Во всех остальных случаях нагрузки от грузо-
подъемного оборудования, транспорта, экскаваторов учитываются в
соответствии с данными рис. 1.12 и табл. 1.5. При установке грузоподъ-
емного оборудования или экскаватора на расстоянии менее 0,6 м от края
котлована учитывается дополнительная нагрузка, прикладываемая на
полосе шириной 1,5 м от края [208].
Таблица 1.5
Вид нагрузки Расстояние от края котлована а, м Ширина проезда 6, м J Дополнительная нагрузка от транспорта р', кН/м3, при общей массе, т
10 । 24 | 30 45 50
Дороги и внут- > 3 — 0 2 9 2 рипостроечные > 2 < 3 3,00 — 10 14 28 — проезды > 1 < 2 - 20 26 47 - > 0,6 < 1 - 30 38 66 Экскаватор, 0 1,5 20 — 50 — 80 краны на рель- совом пути
Специальные исследования нагрузок от строительных машин показа-
ли, что транспорт на гусеничном ходу до 80% своей массы может пере-
давать на одну гусеницу, а автомобильный (колесный) транспорт — до
50% на одно колесо.
18
Рис 1.12. Схемы расчета транспортных нагрузок по краю котлована
[208]
а — схема нагрузки для движущегося транспорта; б - схема нагрузок
для экскаватора и крана
При статических расчетах необходимо учитывать все изменения
нагрузок, 'имеющих место в процессе производства работ, и соответст-
венно все состояния крепления стенок откоса на всех этапах его созда-
ния. Эти обстоятельства должны также учитываться при определении
возможных нагрузок на полосу, непосредственно примыкающую к краю
котлована.
1.4.2. Давление грунта. Давление грунта может быть определено как
аналитическим, так и графическим путем в соответствии с основными
положениями механики грунтов [12, 40, 41, 54, 55, 69, 132, 136, 158,
208]. Давление подразделяется на следующие виды:
активное давление грунта (давление грунта);
давление грунта в естественном состоянии;
давление от уплотнения грунта;
пассивное давление грунта (сопротивление грунта).
Активное давление грунта представляет нижнее значение давления,
возникающее на границе сооружения и действующее в его направлении,
при этом смещение грунта возможно только в направлении действия
этого давления (рис. 1.13).
Давление грунта в естественном состоянии представляет собой давле-
ние на неподвижную стенку и по величине лежит между минимальным и
максимальным значениями возможного давления.
Пассивное давление грунта представляет собой верхнее значение
давления грунта, которое возникает при определенных условиях смеще-
ния подпоркой стенки и всегда действует в направлении, противополож-
ном действию активного давления грунта.
Давление от уплотнения грунта возникает при искусственном уплот-
нении грунта (обратная засыпка).
Величины активного, пассивного давления грунта и давления грунта
в естественном состоянии определяются в зависимости от вида, величи-
ны и направления ожидаемой деформации стенок котлована. Использо-
19
Рис. 1.13. Давление грунта как функция переме
щения стенки
вание активного и пассивного давления грунта определяет величину
возможных деформаций стенок котлована. В табл. 1.6 приводятся зна-
чения деформации стенок котлована при возникающих максимальных
значениях давления грунта [208].
Таблица 1.6
Вид де- формации Активное давление EQ Пассивное давление Е&
Максималь- ное смещение Дйг , М Эпюра дав- ления Максимальное смещение Ддг , м Р Эпюра давле- ния
ID < 0,67 ID > 0,67 /с>1
Дд > 0,002А
-7/(0,013ft+ -Ах
+0,07) х(0,008й +
+0,05)
0,001Л <
< Дд < 0,005ft
Ад > 0,005А
0,0027/ С
<Дд < 0,01ft
Дд> 0,01Л
0,002/г <
< Да < 0,01Л
До > 0,01 Л
Приведенные в таблице значения и форма эпюр давления должны
быть учтены при расчетах устойчивости.
1.4.2.1. Активное давление грунта. Величина активного давления грун-
та в дальнейшем определяется только по классической теории. Расчет
основывается на том, что вращение стенки допускается вокруг только
20
Рис. 1Л4. Определение угла направления действия сил дав-
ления грунта и его реакции
с — угол наклона откоса + а; б — угол наклона отко-
са — ft
одной нижней ее точки, или точки, расположенной ниже основания кот-
лована. При всех других возможных смещениях принимаемый метод
расчета применяется лишь условно. Дальнейшие расчеты приводятся
в соответствии с данными рис. 1.14.
Несвязные однородные сыпучие грунты. Для слу-
чая бесконечно длинной стенки и наклонной поверхности грунта давле-
ние грунта на глубине z составляет при равномерно распределенной на-
грузке величину р:
eah eahy + €ahf Pgz^ahy+ P^ahy + P^^ahy
eav =eaAtg(a + 50>;
(1.66)
21
ea=eahlcos<-a+6a'>-
В общем виде коэффициент давления грунта запишем в виде
cos2 (Ф' — л)
ay cgs2«ccs(«+5^) f зш(Ф' + 6_) sin (Ф* — /3) 1+л/ « [cos(« + 8 ) cos(a — (3 ) ] 2
Горизонтальная составляющая коэффициента давления грунта
cos2 (Ф' - а)
2
cos
[sin ( Ф+Sp sin (Ф' J3) ]
[cos (u + bQ ) cos («-/?)]
В случае, если a = 0 = 5Д = 0, получим
xefry=tg’0r/4-®'/2).
(1.6в)
(1.7)
Получаем составляющие давления грунта из равновесия плоскости
давления грунта:
Еа -^•еа^2 илиEah = ^ah^-
При треугольной эпюре давления, высоте стенки й и у = pg давление
грунта Можно записать в виде
£’ = l/2pg*2 + phK = 1/2Тй гК + phK (1.8а)
1+ *-* Г »+ J ”/ -I
Тогда горизонтальная составляющая давления запишется в виде
Eah = ^^ahy^^ahy
Для вертикальной составляющей получим
Е^Еак1^а + &аУ <18в)
В практике сооружения котлованов довольно часто встречается
случай «-/3 = 0. При этом горизонтальная составляющая активного
давления может быть определена по табл. 1.7 [208]. Во всех осталь-
ных случаях должны быть использованы табличные данные, приводи-
мые в работах [12,40,41,69 и 208].
Угол наклона плоскости скольжения грунта определяется по выраже-
нию tgfl = (1 +£tg/3) / ($ - tgc).
В принятых обозначениях
С = (1 + tg*‘tga -y/K^t cos*') / (tg*’ - tgp).
(1.9)
22
Таблица 1.7
Угол внутреннего трения Ф, Значение давления грунта при угле трения стенки 5^
V0 8й = 1/ЗФ Зд=2/ЗФ' 6 д
10 0,704 0,673 0,647 0,625
15 0,589 0,554 0,525 0,500
20 0,490 0,455 0,426 0,401
25 0.406 0,373 0,346 0,322
30 0,333 0,304 0,279 0,257
35 0,271 0,246 0,224 0,205
40 0,217 0,197 0,179 0,161
В этом случае для горизонтальной площадки у бровки котлована
(3 = 0) и вертикальной стенки (а = 0) получаем
tg0fl = cos$~ ^1пФ + V^VGg^' + tgSj] •
Связные однородные нескальные грунты. Гори-
зонтальная составляющая давления грунта определяется из приведен-
ных выше зависимостей
eah eah^€ahf eahc' G-Ю)
Отсюда ea^c - 2c - с Ка^с • Q U)
Вертикальная составляющая определяется как е ~ tg (cr + 5^). Учет
сцепления грунта дает величину поправки к давлению, равную:
"z2G+tgatg0)cos<J‘'cos(a^)cos/3 / [l+sin($' + а + - 0)].
Числовые значения этого давления приведены в работе [208].
Для определения давления грунта применим зависимость
Eah ~ ^eah&z' С-П)
Для случая треугольной эпюры давления зависимость имеет следую-
щий вид:
t:a = H2pghiKay+phKay-c'hKac. (1.13а)
Горизонтальная составляющая активного давления
Eah = Kahy +PftKah1 ~ ^ahc <1-136?
и ее вертикальная составляющая
+ (ЫЗв)
Преобразовав зависимость (1.10), получим
2с \fKQ^ > .
23
e ah#'eah c
eahc~ c ^ahc
Рис, 1.15. Составляющие давления грунта
а — подпорное сооружение; б — составляющая
от действия транспортной нагрузки; в — состав-
ляющая от действия гравитационных сил; г — сос-
тавляющая сцепления; д — полное давление грунта
Определим положение точки с нулевым значением напряжения ниже
поверхности земли = 0 (рис. 1-15), пренебрегая при этом величиной
полезной нагрузки р на прикотлованную бровку'
й - =_____________г - . (1.14)
С учетом равномерно расположенной нагрузки от транспорта имеем
зависимость
й - "Р^^яЛт____________ 4с - PKahc_____ (115)
С 7*аАс
Полученные значения напряжений растяжения от сцепления [208]
учитываются только до тех значений, при которых они оказывают пони-
жающее или, в крайнем случае, повышающее влияние на давление грун-
та. Глубина образования трещины hc определяется по (1.14) и (1Д5).
В приведенных зависимостях влияние сцепления на давление грунта
может не учитываться в том случае, если не может быть определено
постоянно действующее значение сцепления. При раздельном определе-
нии активного давления грунта от действия постоянных нагрузок и на-
грузки от транспорта по краю котлована последняя учитывается только
в тех случаях, когда транспортная нагрузка может рассматриваться
как постоянно действующая. В том случае, если она не постоянна (пе-
ремещается от движения транспорта), ею пренебрегают. Считается, что
действие сил сцепления не может учитываться дважды.
При относительно больших значениях сил сцепления и в специаль-
ных исследованиях необходимо проверять случай, когда = 0,20
может оказать большее влияние на давление грунта по сравнению с
суммой значений и для несвязного грунта, т.е.
24
*= minKahypgh = 0,2y/? . (1 -16)
Дня расчета принимается самое неблагоприятное значение.
При связных грунтах следует проверить, может ли в практических
условиях возникнуть давление грунтовых вод или промерзание грунта
и, вследствие этого, увеличение значения полного давления грунта.
Должны быть также учтены дополнительные усиления крепления стенок.
Давление грунта должно быть определено также для определенных
условий, учитывающих положение бровки на различных отметках лома-
ной поверхности стенок котлована, наличие различных напластований
(слоистость грунта), линзы, грунтовые воды или течения, наличие
пустот и др. [208].
1.4.2.2. Статическое давление грунта. Статическое давление грунта
определяется как величина бокового давления на неподвижную стенку
и увеличивается прямо пропорционально с глубиной, так что при неог-
раниченно длинной стенке и горизонтальной поверхности площадки мож-
но записать:
eohy = PgKohy «ли еОт = P&KOi" eOhy < cos(° + eO)- (1.17)
причем дополнительное значение как составная часть горизонталь-
ного давления ох может быть представлено как дополнительное верти-
кальное давление о.,: ~ °х °z ^° Терцаги в общем случае для
песков принимается приближенная зависимость = 0,40...0,50 или
/CO7=l-sin®'. (1.18)
В работе [208J для/^ приводится следующая зависимость:
XoAt = 0,2S + 0,75^A7. (1.19)
К этим значениям давления должно быть прибавлено влияние пригруз-
ки на край котлована.
Фуш [39] на основании проведенных многочисленных исследований
зернистых грунтов получил нижний ! и верхний К® 2 пределы и на ос-
новании этого предлагает следующую зависимость:
1—0,64tg$' l+O^tg1!*'
------------до /С 2 =-------------.
1+O,64tg0' ’ 10,64tg<K
Лежащие между этими значениями характеристики грунта определяют-
ся путем предварительного нагружения грунта, при этом нижнее значение
} < 1 и верхнее KQ 7> 1. Значение К® j используется при расчете ус-
тойчивости стенки котлована при полной ее неподвижности, а 2 —
при расчете предварительно сильно нагруженных грунтов. Однако" это
при расчете устойчивости стенок котлованов обычно не учитывается,
так как сильно предварительно нагруженные рыхлые грунты оказывают
существенные деформации на стенки котлована, что приводит в свою
очередь к снижению давления грунта [158].
Статическое давление грунта в зависимости от положения точки,
где оно определяется, и с учетом одностороннего или двухстороннего
25
нагружения равномерно распределенной нагрузкой может быть опреде-
лено по [208].
1.4/2.3. Давление грунта при уплотнении. В случаях интенсивного
уплотнения грунта, находящегося за стенками, и расчете статической
устойчивости и давления, давление от уплотнения грунта также должно
быть учтено. Способ и интенсивность уплотнения оказывают влияние ]
на величину дополнительного давления грунта.
Дополнительное давление, возникающее при уплотнении грунта, ;
приводится к статическому давлению грунта. При расчете статического •
давления от действия постоянных нагрузок или нагрузок от транспорта :
давление грунта от дополнительного уплотнения учитывается в том слу-
чае, если оно по своей величине превосходит значение давления в грунте
от действующих нагрузок.
Давление грунта, возникающее от его уплотнения, не учитывается,
если расстояние между подпорной стенкой или креплением котлована
не превышает 1 м или 2,5г^, где - глубина, на которой действует
максимальное значение давления грунта от уплотнения.
Давление грунта от его уплотнения определяется по треугольной
эпюре и принимается равным 1 >3z^ry.
Критическое значение глубины z- зависит от применяемого механиз-
ма для уплотнения грунта (табл. 1.8).
Таблица 1.8
Механизм уплотнения грунта Масса т, кг Усиление при вибри- ровании X кН Частота вращения п, мин-1 Глуби- на Распреде- ление дав- ления
Вибрационная плита <250 <25 200
<650 <63 —
Глубинный вибратор <200 22 —
Электротрамбовка <60 «500 400 уч!
Взрывная трамбовка <100 — 60—80
Донный вибратор <1200 63 да, rz
Электротрамбовка <200 «450
Взрывная трамбовка <500 "" 50-60 600
1.4.2.4. Пассивное давление грунта. Пассивное давление грунта возни-
кает в том случае, если установлено, что деформации, вызывающие его,
безопасны для принятой конструкции крепления стенок котлована.
Различные граничные значения АаЕ приведены в табл. 1.6. При неболь-
ших деформациях стенок &al&aE применяются следующие значения
величины давления грунта Е^:
0 < —— <0,1; Е?= Ео (статическое давление грунта);
26
ОД < SaE- < °’3; ЕР = ЕР (°’32 + 1 >8 - дГ—}:
Р Ер
£р=£₽(0’80+0’2^г)-
р р
(L2O)
Несвязные однородные грунты. В случаях отсутствия
пригрузки граничной полосы пассивное давление грунта определяется
по аналогии с активным по следующим формулам:
ephy PgzKph'y 7zKplvf5
epvy ^p ’
ep7 = ерЛ7 / “ °*'
(L21a)
(1.216)
(1.21b)
Дополнительное значение давления грунта определяется из зависимости
[208]:
A>7=‘KA'p7COS<5p-0)-
(1.22)
С учетом различных значений углов на рис. 1.14 для определения зна
чения пригодны зависимости для случая 0 = 0, наклона стенки а =
= 0 и угла трения стенки 6 = Ф\ значение которого принимается в за-
висимости от угла трения ф‘ так же, как для коэффициента пересчета
к, учитываемого при пересчете в диапазоне 0 < 5 < Ф' и приведенного
в табл. 1.9 [208]. ?
Таблица L9
Угол т^е^ия К Tww 6р = ф- £ о Коэффициент пересчета 2С для угла трения стенки 0 ,
1 1 II1 о 1 1 .J Ьр = 1/зФ' 5р = 1/2Ф' II ^5 |С 1 <4 1" |«°1 1 1
10 1,64 0,864 0,918 0,946 0,973 10,00
15 2,19 0,775 0,863 0,907 0,952 1,00
20 3,01 0,678 0,799 0,862 0,926 1,00
25 4 29 0,574 0,727 0,808 0,895 1,00
30 ,2 0,467 0,647 0,746 0,856 1,00
35 10,2 0,362 0,558 0,674 0,808 1,00
40 17,5 0,262 0,463 0,592 0,749 1,00
Для случая « = 0 = = 0 имеем
= tg’W4 + Ф'/2) • С-23)
Составляющие пассивного давления грунта определяются по аналогии с
активным
^РУ^ ИПИ ЕР^У ^ephy^z'
При треугольной эпюре давления грунта, высоте стенки котлована А
и без учета дополнительной нагрузки на примыкающую полосу у стен-
ки котлована имеем:
27
Ephy ~ 1 ^pgh 2 Лрй? 1 ^phy*
^pyy “ Ephytg> ~ й) *
(1.24a)
(1.246)
(1.24b)
Связные однородные г p у н т ы. Составляющие пассивно-
го давления грунта определяются по формулам:
eph ~ €phy + ephc ’ ерv ~ eph — G)» О *25 а), (1.256)
или с использованием приближенного значения сцепления
ephc ~ (1 -26)
Горизонтальная составляющая пассивного давления при треугольной
эпюре давления и глубине котлована И определяется по зависимости
Eph = ’ 2 Kph7 + 2с'й 0 271
При решении этих уравнений должны точно определяться значения
углов по рис. 1.14.
В общем случае величина пассивного давления грунта определяется
по теории пластичности с учетом криволинейных плоскостей скольже-
ния. Поэтому приводимым или получаемым значениям К соответст-
вуют различные плоскости скольжения. Сцепление учитывается только
в тех случаях, когда положенные в основу расчета условия выполняются.
1.4.2.5. Угол трения стенки. Угол трения стенки или 6 активного
или соответственно пассивного давления предоставляют ^собой угол
между поверхностью стенок крепления котлована и линиями действия
давления грунта. Угол трения стенки зависит от следующих факторов:
относительного смещения фундамента и примыкающего массива
грунта;
шероховатости стенок обшивки котлована;
напряженного состояния грунта в прилегающей к стенке части;
конструктивного решения крепления стенок;
особенностей примыкающего к стенкам грунта;
гидрогеологических условий.
При сильном увлажнении грунта, не плотном примыкании грунта к
стенке или при неравномерной передаче вертикальных нагрузок на
грунт основания значение угла трения стенки принимается равным
нулю. Если ожидается, что со стороны грунта может появиться смазы-
вающая пленка (например, если пространство между грунтом выемки
и опалубкой заполняется связным грунтом и возможно поступление
грунтовых вод или при применении битумных или поливинилхлоридных
защитных материалов), то в этих случаях угол трения также принимает-
ся равным нулю.
В литературе часто рекомендуется при расчете несущих подпорных
стенок, шпунтовых или буровых стенок угол трения стенки принимать
28
для случаев несвязных и связных грунтов в пределах 0 < < 2/ЗФ'
я лишь в исключительных случаях, как, например, при подпорных стен-
ках, образуемых опусканием прибуриваемых свай, принимать значение
угла равным &а = Ф\
При создании стенки в грунте в зависимости от свойств используемой
суспензии и продолжительности производства работ угол трения стенки
в интервале значений 0 < Ф' определяется по табл. 53. Угол 5
между нормалью к сооружаемой стенке и направлением давления грун-
та может быть определен по данным работы [208], приведенным в
табл. 1.10.
Таблица 1.10
Грунт Факторы, определяющие угол трения, для 6/Ф’
бетон сталь дерево
гладкий шерохо- ватый гладкая с кор- розией гладкое шерохо- ватое
Несвязный гравий
и песок:
рыхлый 0,85 0,90 0,70 0,80 0,75 0,80
средней плот- 0,80 0,80 0,60 0,70 0,70 0,70
ности плотный 0,70 0,70 0,50 0,70 0,65 0,65
Пылеватый песок 0,80 0,90 0,60 0,80 0,80 0,90
Г л инистые пески 0,80 0,90 0,50 0,70 0,70 0,80
и глины с песком Глины 0,80 0,90 0,50 0,60 0,60 0,70
Значения угла трения стенок определяются только в тех случаях,
когда для рассматриваемой системы выполняются условия равновесия
SF = 0. Таким образом, для активного давления грунта могут возни-
кать отрицательные значения угла трения, когда на конструкции креп-
ления стенок котлованов будут действовать большие вертикальные
давления (например, стенки в грунте, шпунтовые стенки), при которых
приведенные выше абсолютные значения не будут превышены.
Активное давление от транспорта рассчитывается при тех же значени-
ях угла трения стенки, как и при расчете на собственное давление грунта.
Коэффициент устойчивости А* при допущении подвижки стенки
и соблюдении условия равенства ЪК = 0 для случаев свободного распо-
ложения шпунтовых стенок и свайных стенок, в несвязных и тугоплас-
тичных или полупластичных грунтах при криволинейных поверхностях
скольжения [157] с максимальным значением угла трения стенки может
быть определен при 6 = —Ф'.
Расчет сопротивления грунта по плоскостям скольжения [12] дает
удовлетворительные результаты лишь в,тех случаях, когда 5 < — 1/ЗФ'.
Для больших углов при исследовании и расчетах необходимо использо-
вать криволинейные поверхности скольжения.
1.43. Распределение давления грунта. По теории Кулона при повороте
подпорной стенки или сооружения вокруг одной точки, лежащей на оп-
ределенной глубине, возникающее давление грунта линейно возрастает
по глубине. Однако измерения, проведенные на стенках, которые не мо-
гут поворачиваться вокруг одной точки, показали, что верхние участки
стенок в противоположность теории Кулона нагружаются сильнее, чем
29
это должно быть. Многочисленные исследования показали, что при #
0 давление грунта на подпорные стенки распределяется по прямо-
угольной эпюре по высоте, причем результирующее значение давления по
величине совпадает с расчетным, определяемым по классической теории
[132]. При сооружении различного типа подпорных сооружений для
закрепления стенок котлованов возможны различные их деформации,
при которых происходит перераспределение давления грунта. Это могут
быть деформации вращения верхней части стенок вокруг одной точки,
вращения точек основания стенок, прогибы или смещения, а также раз-
личные комбинации этих деформаций. "Так, например, возникают дефор-
мации вращения вокруг глубоко расположенной точки при сооружении
незакрепленных в верхней части подпорных стенок, деформации враще-
ния вокруг высоко лежащей точки при подпертой в одной точке стенке
или заанкеренных стенках, прогибы при эластичных, нормально нагру-
женных стенках и смещения при различных способах закрепления и
жесткости стенок. Распределение давления грунта для этих типичных
случаев деформаций и перемещений схематично показаны на рис. 1.16.
Появляющиеся в процессе сооружения стенок деформации влияют
на величину давления на стенки. Величина перераспределения давления
зависит от жесткости конструкций стенок, способа обеспечения жест-
кости или закрепления стенок анкерами и характеристик несвязного
грунта.- Давление грунта в последующем концентрируется в точках об-
рушения стенок (рис. 1.16,е) и гем больше, чем более эластичны строи-
тельные элементы стенок, так как в этих условиях и проявляются в
наибольшей степени свойства рыхлых грунтов.
Так как деформации стенок не могут быть наперед точно определены,
не представляется возможным однозначное определение вперед всех
значений давления, что вызывает необходимость их некоторого осредне-
ния. В связи с этим для всех наиболее часто встречающихся в практике
случаев заранее на основе теоретических методов и по данным проведен-
ных измерений были определены формы распределения давления с
учетом конструктивных особенностей строительных конструкций.
Эти эпюры давления (эпюры конструктивного давления грунта) для
различных конкретных случаев могут быть заранее построены. Часть
из них представлена на рис. 1.17.
Результирующие давления почти во всех случаях определяются при-
мерно на середине высоты стенок, и только на одной эпюре результи-
рующее давление располагается выше середины их высоты. Результи-
рующее давление, определяемое по треугольной или прямоугольной
эпюре давления, учитывает податливость отдельных стоек и поэтому
равно или чуть больше определяемого по классической теории.
Для определения размеров сечений строительных конструкций,
используемых для крепления стенок (особенно при сооружении длин-
ных котлованов), пользуются эпюрой давления грунта по Леманну [75]
(рис. 1Л7^). Предлагаемое распределение давления рекомендуется
использовать в тех случаях, когда две или более балки жесткости за
счет прогиба. стенки приводят к перераспределению давления. Обычно
в этих случаях используется простейшее выражение для величины рав-
номерно распределенной нагрузки [15]:
е, = 0,6е =0,6ТЙЯ (1.28)
30
a) S) t) I)
0) «7
Рис. 1.16. Распределение давления грунта при различном перемещений
подпорной стенки
а — поворот вокруг точки пересечения стенки с основанием; о
поворот вокруг верхней точки; в — прогиб; г — сдвиг стенки; д — за-
щемление основания; е — обрушение и подвижка основания стенки
При равномерно распределенной нагрузке от транспорта р для случая
несвязных грунтов рекомендуется использовать зависимость
ее = + eaf = ^°’б7Л + Р)Кау * О '29)
В период строительства в массиве связных грунтов могут произойти
изменения под действием гравитационных сил. Величина этих сил зави-
сит не только от характеристик самого грунта, но и от колебаний темпе-
ратуры, продолжительности периода между выемкой грунта и установ-
кой распорных конструкций, очередности установки, степени нагруже-
ния распорок и срока службы конструкции.
Измерения показали, что нагрузки, возникающие в распорных кон-
струкциях крепления стенок котлованов, значительно больше и про-
должают изменяться во времени в том случае, если они устанавливаются
сразу после выемки грунта. В связных грунтах могут возникнуть нагруз-
ки, вызванные притоком грунтовых вод или промерзанием грунта.
Могут возникнуть также усилия, связанные с изменением консистенции
грунта или избыточного порового давления. В самом процессе производ-
ства работ по установке распорок и обшивки из-за влияния их на приле-
гающий грунт могут также произойти изменения в величине давления
грунта. Для случая связных грунтов давление грунта на распорные кон-
струкции может быть определено по формуле; eQ - yh — 2о^ [136]
(см. рис. 1.17/5). В этой формуле величина сг^ соответствует прочности
цилиндрического образца грунта.
31
«9
Рис. 1.17. Эпюры давления грунта для расчета устойчивости подпорных сооруже-
ний по следующим методам:
а - Терцаги/Пек [/5б] для несвязных рыхлых грунтов; б - Терна ей/Пек
[/5б] для связных рыхлых грунтов; в — Клейнер [56]; г — Леманн [75J; д — Че-
ботарев [/59]; е — Б риске [/5]
Из всего сказанного вытекает, что величина возникающего давления
грунта зависит от местных конкретных условий. Теория Кулона может
быть использована только для случаев устройства котлованов с неза-
крепленными стенками. Распределение давления в зависимости от спо-
соба крепления стенок см. в табл. 1.6.
В отдельных случаях (как, например, при анкерном креплении шпун-
товых стенок) возможно, что значение действующего давления грунта
лежит между величиной статического давления грунта и величиной ак-
тивного давления.
При проверке значения фактического давления на строительные
конструкции необходимо учитывать реально выполненную глубину
выемки грунта в котловане. Степень перераспределения давления на
стенку котлована изменяется в зависимости от прогиба элементов
конструкции или их поворота относительно определенной точки, что
приводит к изменению самой статической схемы расчета. Так, например,
статическая система многократно подпертой стенки может перейти в
систему с одной подпоркой или даже без них, имеющую лишь защемле-
ние в нижнем конце. Это приводит к необходимости применения допол-
нительных распорных элементов или перестановке уже имеющихся.
Распределение активного давления грунта от_действия значительных
транспортных нагрузок р на большие площади F или нагрузок на длин-
ные участки или полосы р в приближенном расчете могут быть учтены
32
fai> « '>« w
Рис. 1.18, Распределение давления грунта при равномерно распределенной нагруз-
ке и нагрузке, изменяющейся по линейному закону, для случая подпорных сте-
нок, которые вращаются вокруг точки своего основания
а — равномерно распределенная нагрузка; б — линейное распределение на-
грузки
2Eahf
= Л
Примечание. При всех прочих перемещениях стенки величина давления
грунта Eaf равномерно распределяется по высоте стенки hf
в виде прямоугольных, треугольных или трапецеидальных дополнитель-
ных нагрузок (рис. 1.18). Местные нагрузки ^приближенно могут быть
заменены нагрузкой, действующей на полосу_Р, при этом эта заменяю-
щая нагрузка может быть принята равной F = Ffla. Здесь величина а
обозначает расстояние от точки приложения сосредоточенной нагрузки
до края котлована. Эта схема соответствует распределению нагрузки
под углом 45°.
Область распространения нагрузок на конструкции крепления стенок
зависит от значения угла Фи va и приведена на рис. 1.18. Давление грун-
та на одно- или двухсторонние равномерно распределенные нагрузки
или нагрузки, действующие на полосу, равно как и возникающее от них
значение угла плоскости скольжения va, определяется по данным работы
[208]. Используя полученные значения нагрузок и применяя приведен-
ные на рис. 1.18 схемы их распределения, можно получить все необходи-
мые для расчета значения.
1.4.4. Выпор основания котлована. Стабилизация оснований в котло-
ванах с широкими бровками с закрепленными вертикальными стенками
в условиях пластичных связных грунтов представляет собой отдельную
задачу, которая также должна быть решена. Возникающий в этом случае
механизм выпора грунта основания котлована под воздействием боко-
вых нагрузок схож с механизмом механического разлома.
Для связных грунтов с углом внутреннего трения Ф' = 0 предел
прочности грунта на срез т = с’, в связи с чем приходящаяся на длинную
сторону котлована нагрузка F на уровне дна котлована по каждую
его сторону может быть (рис. 1.19) определена по формуле
2-fc'.
3-749
33
Рис. 1J9. Устойчивость основания
котлована в легкодеформируемом
грунте
Равномерно распределенная нагрузка на полосы 2-2 и 3—4 с учетом
сцепления грунта определится как
q - -2/с' = pgt - tc'\j2! В.
V-
(130)
Для случая пластического равновесия грунта под ленточным фундамен-
том, имеющим одну общую плоскость основания [136], для Ф* = 0 при
q несущая способность грунта приводится ниже. Если принять
<7 =4„,то можно определить критическую глубину котлована
L о
гкрИ1 = 5>7е'/ te-c'VT/B).
(1.31)
Для определения коэффициента запаса устойчивости, равного р ~ ^крИ1Я,
из приведенных выше формул можно получить следующее выражение:
5,7с’
7? =---------т^=.-- -
Kpg-t'fTlB)
(1 -32)
Принимается, что т? > 1,5. Максимально возможная высота вертикаль-
ных стенок котлована без выполнения укрепительных работ при Ф' =
= 0 составляет h = 4с’ / pg. Отсюда с‘ ~ l/4*(hpg). Если это значение под-
ставить в (1.31), то получим
iKDitT = 5,7h/(4-hy/2lB). (133)
Отсюда видно, что для В = 0,354/2 теоретически возможна глубина кот-
лована “ 00 • Минимальное значение ^крит в функции ширины кот-
лована В получим при В ~ для этого случая 2Крит = 1Д25Л а* З/2/i.
При устройстве широких котлованов с уступами критическая глубина
превышает предельную высоту вертикального откоса в 1,5 раза. Таким
образом, возможность выпора грунта в широких котлованах более ве-
роятна, чем при сооружении узких котлованов.
Влияние угла внутреннего трения может быть учтено приближенно,
если для с в приведенных выше зависимостях будет представлено
значение с**, при этом с** = c'tg(n/4 + Ф'/2). Критическая глубина кот-
лована определяется по форт'ле [42]:
34
*крит 'Н pg'
(i .34)
Значения коэффициента fa приведены в табл. 1.11.
Расчеты показывают, что при значении угла внутреннего трения Ф' =
s 20° для обеспечения необходимой устойчивости основания котлована
достаточно небольшое значение сцепления грунта.
При Ф' > 25°, т.е. почти несвязных грунтах, полученный выше резуль-
тат также может быть использован. Для случая, когда в непосредствен-
ной близости под подошвой котлована на расстоянии D находится проч-
ный слой грунта, для величины критической глубины котлована может
быть получено следующее выражение:
'крит = 5>7рс7 (PS~c’!D) = 5,7Й (4 - Л / £>).
(1.35)
Таблица 1.11
__ Лч*
Угол внутреннего трения Ф,
Значение fa
/><0,30* 6 >0,30*
0 8,4 5,1
5 14,1 10,8
10 23,5 19,3
12,5 38,4 28,3
15 76.4 52,7
17,5 556,0 174,0
При невозможности обеспечения устойчивости основания котлована
против выпора необходимо сооружение одного из типов крепления сте-
нок. Дополнительная нагрузка внутри котлована на горизонтальную по-
верхность через подошву подпорной стенки повышает устойчивость ос-
нования котлована против возможного выпора. При расположении по-
дошвы подпорных стенок ниже отметки дна котлована возникают дей-
ствующие в горизонтальном направлении силы, величина которых оп-
ределяется по данным работы [136].
При расположении основания котлована ниже уровня грунтовых
вод и наличии грунтов с пылеватыми частицами с возможной текуче-
стью, а также при наличии мелких песков необходимо принятие мер
для их закрепления (разд. 2.2.3 и 8.6.2), чтобы исключить возможность
выпора и разрушения подошвы котлована. При наличии притока грун-
товых вод, приводящего к образованию свободной поверхности воды в
котловане, необходимо произвести гидравлический расчет.
Пример. Необходимо определить устойчивость дна котлована против возмож-
ного выпора при следующих условиях: ширина котлована 3,0 м, глубина 6,0 м;
характеристики грунта:
рп = 2,0 т/м3; р^ = 20 кН/м3; г = 20 кН/м1; Ф' = 10°.
Решение. Надежность против возможного выпора по (1.32) без учета угла внутрен-
5 7-20
вето трения 7? =--------------~ 1,8.
6 (20-20<Г/ 3)
Надежность при учете угла внутреннего трения Ф:
c**-20tg{45° + 10°/2) =23,84;
35
5,7-23,84
~“ LJL> j J О1
3,0 /
Надежность no (1-34) и данным табл. 1.11:
t
Крит
= 19,3 20- = 19,3 м;
20
7J= = 3,22.
6
Во всех случаях полученные значения надежности выше необходимого значе-
ния 1.5.
1.4.5. Обрушение откосов котлованов. Сооружение котлованов тре-
бует проверки устойчивости стенок. Скачкообразное изменение на-
грузок на стенки может привести к их обрушению, при этом в движе-
ние приходят часть грунта, расположенного перед стенкой, ограничи-
вающей котлован, и грунт, находящийся за стенкой.
Для определения устойчивости стенок необходимо найти положе-
ние и форму опасной линии скольжения и величину возникающих сил.
Плоскость скольжения, представляющая-»-поперечном сечении спираль-
ную линию, при расчете с некоторым приближением заменяется цилинд-
рической поверхностью с горизонтальной осью вращения. При рассмот-
рении этой задачи для однородных грунтов при устройстве шпунтовой
стенки, свайного крепления или бетонной стенки во всех случаях по-
верхность скольжения проходит через точку, определяемую подошвой
подпорной конструкции.
Для определения устойчивости подпорной конструкции при выбран-
ной форме и положении поверхности скольжения должны быть опре-
делены следующие величины:
сумма моментов Мт для определения точки приложения равнодей-
ствующего момента от давления грунта, транспортной пригрузки и
нагрузок в период строительства, а также давление грунтовых вод;
сумма моментов AQ., возникающих от трения по поверхности сколь-,
жения, и сил сцепления, т.е. момент сопротивления скольжению от дей-
ствия внутреннего трения и сцепления. Для определения этого момента;
может быть использована теория Крея.
Коэффициент устойчивости в соответствии с рис. 1.20 может быть
вычислен по следующей формуле: <
LAQ _ М +МС
Давлением грунта Е^ и Ег можно пренебречь из-за равенства их зна-
чений. Более подробные данные для расчета этого случая можно полу-;
чить в работах [12, 38,41, 42, 53, 54, 55, 80, 96 и 132].
Задача по расчету устойчивости стенок котлована от обрушения по
существу представляет собой оптимизационную задачу, так как при
ее решении необходимо определять самое невыгодное положение точ-
ки (центра вращения), вокруг которой будет происходить скольжение
(1.36):
Э6
рис. 1.20. Схема расчета устойчивости стенки при смещении по круглоцилиндри-
ческой поверхности
при обрушении откоса. Одним из условий является прохождение кривой
скольжения через крайнюю точку основания стенки или анкера (при ее
анкерном закреплении). Точный расчет такой задачи можно выполнить
лишь с использованием ЭВМ по специально составленной программе
расчета.
В работе [92] приводится программа решения такой задачи с исполь-
зованием ЭВМ и даны четыре различающихся оптимизирующих алгорит-
ма, которые учитывают:
положение точки, вокруг которой происходит скольжение (центра
скольжения);
величину радиуса скольжения;
глубину основания стенки котлована.
Каких-либо общих положений о расположении поверхности сколь-
жения не существует. Можно лишь констатировать, что при незакреп-
ленных откосах типичными являются глубокие, плоско врезающиеся
в грунт поверхности скольжения, тогда как при закрепленных стенках
котлованов поперечное сечение цилиндрических поверхностей меньше
и их положение зависит от конструктивных особенностей крепления
стенок.
ГЛАВА 2. КОТЛОВАНЫ С ОТКОСАМИ
Устройство котлованов с наклонными откосами или вертикальными
закрепленными стенками обусловлено еле дующими причинами:
возможность применения высокопроизводительных машин по выем-
ке грунта;
обеспечение свободного рабочего пространства;
упрощение процесса производства работ;
исключение многочисленных дополнительных видов работ;
экономия ценных строительных материалов.
При выборе типа котлована подбирается оптимальный вариант с уче-
том всех факторов, влияющих на сроки и стоимость его сооружения.
2.1. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ И ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Небольшие котлованы с незакрепленными откосами устраиваются
при необходимости отвода воды со строительной площадки до соору-
жения больших котлованов под энергетические объекты и водохозяйст-
венные комплексы. Глубина таких котлованов может быть различной.
Ограничением в применении незакрепленных откосов является отсут-
ствие достаточных площадей для их размещения. Это наиболее часто
встречается при выполнении работ по реконструкции сооружений,
когда на поверхности и в грунте располагаются различные строительные
конструкции, ограничивающие зону производства работ. Такие котло-
ваны не применяются также по экономическим соображениям в тех слу-
чаях, когда объем вынимаемого грунта значительно превосходит объем,
необходимый для размещения самого сооружения.
Превышение объема работ по выемке грунта при устройстве котло-
ванов с откосами по сравнению с котлованами с вертикальными стен-
ками при одинаковой их глубине особенно существенно для неболь-
ших и глубоких котлованов. Так, например, для котлованов разме-
ром 2,0x2,0ми5,0x5,0м с углом наклона откоса 45° в зависимости от
их глубины, увеличение объема вынимаемого грунта А К, %, составляет:
2,0 м 5,0 м 8,0 м
2,0x2,0 м......................333% 1333% 2933%
5,0x5,0 м......................202% 333% 661%
Целесообразность устройства откосов становится проблематичной
в случаях, когда земляные работы выполняются малопроизводитель-
ными механизмами или лишь частично механизированы. В таких котло-
ванах и траншеях (рис. 2.1) можно работать лишь в тех случаях, когда
угол наклона откоса соответствует характеристике грунта и необходи-
мому запасу надежности по его устойчивости.
Для земляных выработок средней глубины рекомендуются следую-
щие средние значения углов наклона откосов:
45° — для легких несвязных грунтов;
60° — для средних несвязных грунтов;
80° — для прочных несвязных грунтов.
38
Рис. 2.1. Котлован под трубопровод
из сборных железобетонных труб тина
W-800 [44J
Значения рекомендуемых углов наклона откоса могут существен-
но уменьшиться в тех случаях, когда отметка дна котлована ниже уров-
ня грунтовых вод или если имеются многослойные толщи грунтов.
Появление на откосах воды, что чаще всего обнаруживается после
выемки грунта, может привести к снижению сцепления между частицами
грунта и снижению устойчивости откоса. Увеличение порового давления
воды в мелкозернистых грунтах может привести к такому уменьшению
сцепления, что пески придут в состояние подвижности и произойдет
оползание откоса. В этих случаях необходимо специальное исследование
для определения угла наклона откоса.
На рис. 2.2 показана схема обрушения откоса котлована, расположен-
ного рядом с существующим сооружением с относительно небольшой
глубиной заложения подошвы фундамента. Грунты представляли собой
пылеватые пески, и появления грунтовых вод на откосах котлована об-
наружено не было. Обрушение грунта произошло через несколько дней
после выемки грунта и нанесло значительный ущерб.
Рис. 2.2. Схемы разрушений фундаментов
а - при устройстве котлована; 1 - основание котлована; 2 — выход грун-
товых вод; 6 — разрушение откоса; в — разрушение основания под фундамен-
том сооружения: 1 - трещины; 2 - осадка
39
Рис. 23. Крепление стенок траншей в устойчивых рыхлых грунтах при помощи
распорок (а) и срезкой краев стенок (б)
7 — отвал грунта; 2 — винтовая распорка; 3 — опорная подушка 250x50;
е — незагружаемая полоса
При прокладке траншей глубиной ta > 1,25 м устойчивость стенок
в зависимости от геологических и гидрогеологических условий [211]
должна обеспечиваться либо определенным углом наклона откоса, ли-
бо соответствующим креплением вертикальной стенки (в случае выпол-
нения работ в насыпных грунтах или в условиях возможных сотрясе-
ний грунта при работе строительных машин и механизмов или взрыв-
ных работ t > 1). При глубине траншеи от 1,25 до 1,75 м, прокладывае-
мой в устойчивых скальных грунтах, прочных глинах, прочных мерге-
лях, щебне с глиной, крепление осуществляется установкой подкладок
под распорки длиной не менее 250 мм и толщиной не менее 50 мм.
Вместо этого можно устроить скошенную верхнюю часть траншеи (рис.
2.3).
При механизированной выемке грунта не требуется какое-либо
крепление стенок траншеи, если в ней не предусмотрено нахождение
людей и если стенки не испытывают дополнительных нагрузок от проез-
жающего транспорта или складирования материалов. Ширина незагру-
жаемой бровки траншеи зависит от ее глубины и характеристик грунта.
Минимальные значения ширины незагружаемой полосы вдоль края тран-
шеи приведены в табл. 2.1.
При укладке материалов вдоль бермы необходимо учитывать, что
рядом с незагружаемой полосой шириной не менее, 1,2 t для несвязных
грунтов и 1,5^ для связных грунтов допускается равномерно распреде-
ленная нагрузка не более 10 кН/м2.
Таблица 2.1
Глубина котлована, м
Минимальная ширина бермы, м
несвязные рыхлые
грунты
связные и скальные
грунты
L,.2,5
> 2,5...5,0
>5
0,6
0,8
1.0
0,6
0,6
0,8
1,0
40
Рис, 2.4, Комбинированное крепление стенок траншей
а, б, в — варианты крепления; 1 — рабочая поверхность
грунта; 2 — дно котлована; 3 — подпорная стенка
Во многих случаях по технологическим условиям применяют ком-
бинированные методы крепления откосов. Наиболее часто встречается
вариант, когда верхняя часть стенки срезается в виде откоса, переходя-
щего далее в вертикальную шпунтовую стенку (рис. 2.4,я). Такое реше-
ние позволяет обходиться без монтажных кранов, которые необходи-
мы при устройстве вертикальной стенки на полную высоту котлована.
При комбинированных видах крепления котлована в случаях, когда
отметка дна располагается ниже уровня грунтовых вод, немного выше
этой поверхности сооружается дополнительная рабочая площадка, с
которой ведутся работы по водоотливу, закреплению стенок котлована
и выемка грунта.
При осуществлении варианта, показанного на рис. 2.4,6, вызывает
сомнение устойчивость грунта, находящегося с внутренней стороны
шпунтовой стенки, поэтому такое решение применяется лишь в отдель-
ных случаях.
Другой вариант крепления траншей — это углубление дна непосред-
ственно под укладываемую конструкцию, при котором высвобожда-
ется значительная рабочая площадь (рис. 2.4,в). Его недостатком явля-
ется то, что механизированно может быть выполнена лишь часть работ
по выемке грунта. Оставшийся грунт приходится разрабатывать вруч-
ную.
2.2. СПОСОБЫ КРЕПЛЕНИЯ ОТКОСОВ
Откосы котлованов и траншей в процессе строительных работ под-
вергаются атмосферным гидрологическим воздействиям, а также влия-
нию, зависящему от принятого способа производства строительных ра-
бот. Поэтому при устройстве глубоких котлованов при неблагоприят-
ных условиях и большой продолжительности процесса производства
работ необходимо уже на стадии проектирования предусмотреть приме-
нение того или иного типа крепления для обеспечения устойчивости от-
косов.
2.2.1. Крепление откосов. Крепление откосов осуществляется раз-
личными способами — креплением их основания, пригрузкой или вырав-
ниванием поверхности откосов, различными видами водопонижения —
41
устройством скважин» дрен, водоотводящих канав, песчаных подушек.
Эти укрепительные работы являются необходимыми в случае устрой-
ства котлована в слабых обводненных или увлажненных грунтах; при
сложных геологических условиях — многословности, чередовании водо-
проницаемых и непроницаемых слоев, наличии напорных грунтовых вод,
водоносных слоев, поверхностных вод или возможности перехода грун-
та в текучее состояние.
Для различных геологических и гидро геологических условий в табл.
2.2 приводятся некоторые способы крепления откосов при устройстве .
траншей и котлованов [141]. При этом применяются различные способы ’
водозащиты и различные конструктивные решения укрепления откосов
с длительным сроком их эксплуатации. Приводимые конструктивные-
решения обеспечивают достаточно быстрое водопонижение, не требую-;
щее большого количества энергии и средств.
Выбор конкретного конструктивного решения требует комплекс-
но го подхода. Конкретные условия при возведении сооружения могут ;
потребовать применения определенного конструктивного решения за-
дачи. На принимаемое решение оказывают влияние также местные ус*
ловия, применяемая техника, уровень механизации работ, имеющиеся •
строительные материалы и объемы укрепительных работ.
При выходе грунтовых вод откосы должны быть выполнены более.
пологими или укреплены слоями фильтрующего материала. Для защиты
от поверхностных вод откосы должны быть защищены специальными
перехватиыми водоотводящими канавами, размеры которых должны-
учитываться при определении общих размеров, занимаемых откосом;
котлована или траншеи. На рис. 2.5,с показано одно из решений крепле-
ния откоса котлована при устройстве водоотводящей канавы для пере*
хвата поверхностных вод, фильтра у основания откоса для сбора дре-
нирующих по откосу вод и коллектора для их отвода. Покрытие стенок :
и дна водоотводящей канавы может быть выполнено в разных вариан- '
тах (рис. 2.5,6): ।
Вариант I. 1) покрытие дерном толщиной 100 мм; 2) глиняное укреп- ’
ление; 3) водопроницаемый грунт. ;
Вариант II. 1) покрытие дерном толщиной 60—80 мм; 2) специальный .
грунтовый материал толщиной 50...10 мм; 3) водонепроницаемый
грунт.
Вариант III. 1) посев травы на откосы; 2) специальный грунтовый ма-
териал; 3) водонепроницаемый грунт.
В настоящее время для дренажей широко используются текстильные
материалы (см. рис. 2.5,е). Это упрощает их устройство, так как вместо
применяемых до сих пор в качестве фильтров различных крупнозернис-
тых материалов используются водопроницаемые материалы. Для за-
крепления откосов применяются многочисленные виды текстильных
(тканых) материалов (см. рис. 2.5,г).
При опасности вывала отдельных камней или оползания различных
участков с линзами из другого грунта откосы могут быть защищены
металлическими сетками, закрепляемыми анкерами или стальными
несущими тяжами.
2.2.2. Защита откосов от эрозия. Для защиты откосов от размывов
применяются различные инженерно-биологические или технико-кон-
структивные способы. Под инженерно-биологическими способами
42
Таблица 2.2
Грунтовые условия Методы крепления [141]
тип грунтовой толщи характеристика грунта условия залегания грунтовых вод способы водоудале- ния конструктивные решения
Однородная Несвязные от слабо- до м Водоотлив или водо- /z>
среднесвязных <2 0м понижение ---------------
Равномерный выход
грунтовых вод
Мелкий и пылеватый пески > 20 м Водопонижение
J <Q7S bW
С ’ Рав но мерный в ыхо д
грунтовых вод
Однородная Мелкие или пылеватые пес- ки , слабо- или средне связ- ные ->2,0 м Равномерный выход Водопонижение при помощи иглофильт- ров =лгт * г-*-
грунтовых вод
От сильно- до высокосвяз- ,йГН)>2,0м Водопонижение при « 1— них/г<0,75 РавномепныЙ выход помощи вакуумных — с иглофильтров или ж |Л2 грунтовых вод площадное волопо- i/\ "71 Г/1 /1 Zj
ни жени е О |-_3 Л? l—i
Простое на-
пластование
Несвязный или слабо связ-
ный грунт над сильно связ-
ным
Выход грунтовой воды
на откос
Площадное или глу-
бинное водопониже-
ние
То же
Выход воды по слоям
Площадное водопо-
нижение или дренаж
Продолжение габл. 2.2
Грунтовые условия Методы крепления [141]
тип грунтовой характеристика грунта толщи условия залегания грунтовых вод способы в одру дал е- ния конструктивные решения
Неоднородная Несвязные или связные Неравномерный выход Площадное водопо- у многослойная слои грунтовых вод нижение или глубин- ное водопонижение ''''
Несвязный слой в связ-
ном грунте
Послойный и родни ко- Зависит от местных
вый выход ВОДЬ! условий
Рис* 2.5* Схемы закрепления откосов котлованов и конструкции фильтров
а — сечение котлована; 1 — нагорная канава для перехвата поверхностных
вод; 2 - обвалование; 3 — фильтр с дренажной трубой; 4 - отметка поверхности
земли; 5 — уровень грунтовых вод; б — трапецеидальное сечение канавы; 1,2, 3
элементы крепления (см, по тексту); в — продольные дрены с текстильной обли-
цовкой: 1 — дренажная труба; 2 — текстильная рубашка; г — крепление откоса
котлована текстильной облицовкой: 1 - связный рыхлый грунт; 2 — несвязный
рыхлый грунт; 3 - песок, гравий; 4 — текстильная прокладка; 5 — дренажная
труба; 6 — каменная наброска; 7 — бетонные плиты; 8 — стальные гвозди; 9 —
текстильная облицовка
45
принимают защиту откосов против возможной эрозии растительным
покровом с использованием строительных материалов или без них.
Для защиты откосов котлованов или траншей в первую очередь ис-
пользуются газон, высевающийся на откосе, газонные сетки или дерн.
Посев газона используется обычно при необходимости культивации
(рекультивации) площадки.
При применении механизированных способов закрепления откосов
для ускорения работ применяются различные виды связывающих мате-
риалов [64]. Наиболее часто употребляемые способы защиты откосов
приведены в табл. 2.3. Чем длиннее откос, тем более подвержен эрозии
и в связи с этим требует более тщательной защиты. Это ведет к необхо-
димости устройства берм вдоль откосов, позволяющих уменьшать их
длину. Бермы проектируются как транспортные проезды для строитель-
ных машин, а также машин, осуществляющих ремонт откосов во время
эксплуатации, что чаще всего встречается при устройстве больших и глу-
боких котлованов. Строительными нормами, действующими в ГДР,
предусмотрена минимальная ширина бермы для пешего прохода —
Ъ > 0,6 м, для проезда транспорта — Ъ > 3,0 м. Бермы также могут ис-
пользоваться для размещения водопонижающего оборудования. Расстоя-
ние между бермами зависит от технологических условий и применяе-
мой техники. На рис. 2.6 показан откос котлована с прогивоэрозионной
защитой, бермой и дренажной системой. Более подробно описание
возможных конструктивных решений способов устройства берм и их
оборудования приводится в работе [230] -
Таблица 2.3
Способ защиты
Опрыскивание цементным
молоком или битумом
Покрытие пленками
Защита’сборными бетон-
ными плитами или моно-
литным бетоном, торкрет-
бетоном
Посев трав или люпина
Опрыскивание битумны-
ми латексными эмульси-
ями с семенами трав
Покрытие травяным
дерном
Покрытие рулонными ма-
тами с семенами трав или
проросшей травой
Преим у ществ а
Низкая стоимость
Простая технология
Долговечность
Низкая стоимость
Возможность быстрого
устройства защитного
слоя
Хорошее качество защи-
ты откоса
Немедленная защита
откоса
Недостатки
Быстрая разрушаемость
Средняя устойчивость
Высокая стоимость
Средняя устойчивость
при сохранении целостнос-
ти защитного слоя
Слабая защитная способ-
ность до укоренения тра-
вы
Высокая стоимость
Высокая стоимость подго-
товительных работ
2.2.3. Защита откосов от образования и прорыва плывуна. Мелкие
и средние рыхлые грунты однородного зернового состава одинаковой
крупности при наличии грунтовых вод и кратковременного напряжен-
ного состояния могут перейти в плывунное состояние. При этом откосы
котлованов или отдельные участки могут потерять устойчивость и не-
сущую способность. Вызываемые этим технологические трудности тре-
буют принятия дополнительных мер по защите откосов. Выход грунто-
вых вод может привести к разрушению сооружений, находящихся в
46
Рис 2.6. Откос котлована с против о эр оз но иной защитой, бермой и дренажем
i — отметка территории строительной площадки; 2 ~ защити от эрозии,
? — отвал грунта; 4 — водоотвод; 5 — берма; б — горизонтальный дренаж
(дренажные или открытые канавы}; 7 - магы из фильтрующего материала
е связных грунтах; 8 - отметка заложения конструкции; V - отметка осно-
вания котлована
непосредственной близости от траншеи или котлована* Следует отме-
тить, что здесь рассматриваются лишь те грунты, которые могут перейти
в плывунное состояние при увлажнении. К ним относятся грунты со
средней водонепроницаемостью с внутренним сцеплением, не достаточ-
ным для удержания частиц грунта в неподвижном состоянии. Условиями,
исключающими возможность перехода грунта в плывунное состояние,
являются:
шаровая форма частиц грунта;
действующий размер частиц грунта dyi < ОД мм;
степень неоднородности зернового состава грунта 6Г< 5;
коэффициент пористости е > 0,8.
Переход грунта в плывунное состояние может вызываться также
различными дополнительными причинами, как, например, пригрузкой
или разгрузкой грунта, его сотрясениями или давлением грунтовых
вод и др. Большое значение имеет также поровое давление воды в грун-
те, так как при этом исключается возможность быстрой его консоли-
дации. При этом прочность грунта быстро снижается до нуля, в связи с
чем рыхлый, водонасыщенный грунт переходит в плывунное состояние.
Защита откосов от появления плывунного грунта возможна несколь-
кимц способами.
Закрепление откосов с помощью фильтров. Выход грунтовых вод
на откос может быть упорядочен и локализован накладыванием фильт-
ра. Обычно для этих целей применяется песчано-гравийная смесь. Слои
плывунноопасного грунта средней толщины или отдельные песчаные
линзы в исключительных случаях можно заменять более устойчивыми
грунтами. Способ рекомендуется в тех случаях, когда сооружаемые
откосы котлованов имеют небольшой уклон, и работы по его устройству
47
Рис. 2.7, Обеспечение устойчивости откосов котлована против прорыва
разжиженных песков
а — ограждающая стенка; б — шпунтовая стенка или стенка в грунте;
в — водопонижение; г — многоярусный дренаж; 1 — ограждающая стенка;
2 — дренажная траншея; 3 — отметка дна котлована; 4 — распорка; 5 -
ограждающая стенка; 6 - водопонижающий колодец; 7 — насос; 8 — песча-
ная дренажная стенка
более дешевы, чем другие виды работ по закреплению откосов или уст-
ройству стенок котлованов.
Закрепление откосов устройством отсекающих стенок. Плывунно-
опасные участки могут быть изолированы при помощи шпунтовых или
свайных стенок (рис. 2.7). При наличии в котловане слоев грунта сред-
ней толщины во многих случаях достаточно применение специальных
лотков. Отсекающие стенки должны располагаться таким образом,
чтобы закрепление оснований стенок осуществлялось в тех слоях, кото-
рые обладают устойчивостью и не расположены к переходу в текучее
состояние. Если это невозможно, то должны применяться другие спосо-
бы обеспечения устойчивости откосов.
Водопонижение водонасыщенных слоев грунта. Понижение уровня
грунтовых вод (см. рис. 2.7,б) в плывунноопасных грунтах осуществ-
ляется при помощи вертикальных скважин, иглофильтрами гравитацион-
ного или вакуумного типа, электроосмотическим способом. При этом
необходимо иметь в виду, что эффективность водопонижения указанны-
ми выше способами повышается, если одновременно устраиваются водо-
отсекающие стенки.
48
Другой способ (рис. 2.7 Д) — ступенчатое понижение уровня грунто-
вых вод. С этой целью вдоль откоса котлована устраивается система
горизонтального дренажа. Однако этот способ применим только для
хотя бы кратковременно устойчивых грунтов. После выемки грунта до
отметки дна котлована на отметке уровня грунтовых вод устраивается
дренажная канава, в которой собирается грунтовая вода со всего котло-
вана, чем обеспечивается устойчивость его откосов. Способ является
более дешевым, чем применение постоянно действующей вакуумной
установки для поддержания необходимого уровня грунтовых вод. Од-
нако работы по выемке грунта из котлована могут быть начаты лишь
после стабилизации грунта.
Другие способы укрепления плывунноопасных слоев грунта. Плывун-
ноопасный грунт может быть закреплен специальными способами,
как, например, замораживанием или инъецированием. В целом к вопро-
су о закреплении плывунноопасных грунтов необходимо добавить, что
при сложных геологических и гидрогеологических условиях необходимо
проведение многовариантного технике-экономического сравнения. Вы-
бор того или иного способа закрепления является ответственным реше-
нием. Вопрос об обеспечении необходимой устойчивости и несущей спо-
собности грунта откосов и дна котлованов подробно рассмотрен в
разд. 8.6.
Осадки откосов. При сооружении котлованов в связных грунтах
или когда в несвязных грунтах встречаются отдельные включения связ-
ных грунтов, могут возникнуть деформации откосов, вызванные осад-
ками. Это приводит к частичной или полной потери ими прочности и
статической устойчивости в связи с возрастанием значения порового
давления. Эти изменения могут внезапно наступить в процессе выемки
грунта или при длительной эксплуатации котлована из-за увеличения
притока грунтовых вод.
Плотность грунта, которая может привести к появлению осадок,
должна быть равна или ниже критической, под которой понимается
такая плотность, при которой без дополнительных нагрузок начинаются
деформации грунта. Для появления осадок не обязательно какое-либо
движение грунтовых вод к откосу. Обычно осадки являются следствием
вибраций, вызванных строительными машинами, транспортом, взрыв-
ными работами или ударными нагрузками при забивке свай и др. Осад-
ки грунта на откосах котлованов могут произойти при следующих ус-
ловиях [123]:
размеры частиц грунтам/ от 0,02 до 2 мм;
степень неоднородности зернового состава грунта U< 3;
значение коэффициента пористости больше его критического значе-
ния;
выход грунтовых вод в нижней части откосов на расстоянии от 1/3
до 1/2 от подошвы;
угол наклона откоса определен без учета притока грунтовых вод;
угол внутреннего трения Ф' от 0,08 до 0,14.
2,3. СТАТИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ КОТЛОВАНОВ
Расчет статической устойчивости откосов котлованов необходим,
если:
74'1
49
приведенные в работах [211, 230] граничные условия не выполни- I
ются; I
строительные конструкции или сооружения располагаются в непосред- I
ственной близости от котлована; 1
наблюдается выход грунтовых вод на откосы котлована; 1
сложные геологические условия, как, например, наклон слоев грунта
в сторону котлована; i
нагрузка на прилегающую к краю котлована полосу более 10 кН/м2.
При определении угла наклона откоса котлована руководствуются
двумя факторами: '
чем круче угол наклона откоса котлована, тем глубина котлована
должна быть меньше; ;
чем меньше угол наклона откоса котлована, тем выше его статичес-
кая устойчивость. .•
На выбор угла наклона оказывает влияние способ выполнения откоса.
При устройстве берм кроме определения среднего значения угла накло-
на откоса определяют значение угла наклона для каждого участка между
двумя смежными бермами.
Угол наклона откоса котлована в случае его расположения в много-
слойных грунтах должен определяться отдельно для каждого слоя. i
Если при этом для нижнего слоя грунта по его геологическим характе- ’
ристикам может быть принят больший угол наклона, чем для вышеле- ’
жащего слоя, то возможно ломаное построение откоса котлована. В об- :
ратном случае для всего откоса должен приниматься меньший угол
наклона, если для всей системы напластований грунта не будет проведен •
специальный анализ его устойчивости.
2.3.1. Откосы котлованов в несвязных грунтах. Определяющей вели-
чиной для установления угла наклона откоса котлована в несвязных j
грунтах является угол внутреннего трения. Его значение зависит не
только от структуры частиц данного грунта, но также от естественной ;
плотности грунта в месте его залегания. Значения угла внутреннего тре- 5
ния для грунта естественного залегания и для условного грунта, состоя-
щего из сферических частиц, всегда получается несколько различным. 3
Значение критического угла наклона откоса при котором обеспе- j
чивается равновесное состояние грунта при условии пренебрежения ка- з
жущимся сцеплением, будет равно значению угла внутреннего трения Ф'. i
Тогда можно принять, что |
л
0£ = Ф', tgfy. =1£ф', н =созФ'. (2.1)]
h
Если угол наклона откоса /? > Ф' или при пренебрежении кажущимся;
сцеплением грунта прочность на срез т п < то произойдет его;
оползание. Устойчивость грунта будет обеспеченалишь в том случае,;
если угол наклона откоса котлована 0 будет равен действительному1:
углу Ф^. В этом случае Ф' < Ф' и по данным работы [54] коэффициент;
запаса прочности откоса может быть определен как j
т? = tg$' / tg0. (2.2)’
О
Если угол наклона откоса котлована принят по техническим и конструк-
тивным соображениям, более правильно определять коэффициент запаса
устойчивости по зависимости
50
^l = tgф' I tgp.
(2.3)
Для несвязных грунтов значения углов наклона откосов могут прини-
маться по табл, 2.4.
От кажущегося сцепления грунта зависит угол наклона откоса, его
статическая устойчивость, величина фактического давления грунта, в
связи с чем его введение в расчет по определению устойчивости может
привести к заметному снижению стоимости строительства котлована.
Таблица 2.4
Рыхлый грунт со степенью водонасыщения 0,1 <5^, <0,7 Глубина котло- вана, м Отношение высоты отко- са к его зало- жению tg/3 Угол накло- на угкоса1
вид грунта плотность сложения
Мелкий песок <0,33 <0,30 3,0...6,0 1:1 1:1,2 45 ед 40
>0,33 <3,0 3,0...6,0 1:0,83 1:1 ед 50 45
Средний и круп- ный песок <0,33 <30 3,0...6,0 1:1,2 1:1,4 ед 40 35
>0,33 <3,0 3,0...6,0 1:1 1:1,2 45 ед 40
Гравелистый песок и гравий <0,33 <3,0 3,0...6,0 1:1,2 1:1,4 w 40 ед 35
>0,33 <3,0 3,0,..6,0 1:1,2 1:1,4 ед 40 ед 35
1 Приведенные значения могут быть увеличены на 20% в случае, если котлован
будет отрыт менее чем за 30 дн и если не ожидается никаких осложнений.
Для несвязных грунтов по табл. 2.5 можно определить кажущееся
сцепление ctJ> вызываемое капиллярными силами [230].
Таблица 2.5
Плотность сложения грунта Гр Степень водонасыще- ния sr о Кажущееся сцепление с t кН/м
мелкий песок средний песок крупный песок гравий
<0,33 0,05...0,15 <7 <4 <2 0
0,16.-0,55 8 5 4 1
>0,33 0,05...0,20 <9 <5 <3 <1
0,21...0,60 10 6 5 2
При этом необходимо учитывать, что под влиянием отрицательных тем-
ператур и колебаний уровня грунтовых вод значение кажущегося сцеп-
ления будет изменяться. На рис. 2.8 показаны зависимость сил кажуще-
гося сцепления с., от плотности сложения 1п и степени водонасыщения
51
СТЕПЕНЬ ВОД«НАСЫЩЕНИЯ Sf
Рис. 2.8. Кажущееся сцепление си как
функция коэффициента плотности 7д и i
стелен и водонасыщен и я Sr [149]
-----мелкий песок;------— средний ’
песок; — — • — крупный песок
Рис. 2.9. Изменение сцепления [89, 90] j
во времени (первоначальное значение ;
-15 кН/мг)
Sr При осушении или, наоборот, водонасыщении грунта статическая ус- ’
тойчивостъ откоса котлована будет изменяться во времени. На рис. 2.9 ;
показаны эти изменения для выбранного образца рыхлого грунта
со средним значением сцепления, для которого значение кажущегося <
сцепления от первоначального значения, равного си = 15 кН/м2, через
4 недели упало до нуля. На рисунке приведены граничные значения,-
которые получены при t ~ 0 и колебаниях в пределах 30%. Отсюда видно, *
что в течение первых 10 дней при условии обеспечения стабильности от-]
косов значение си не превышает 5 кН/м2. I
2.3,2. Откосы котлованов в связных грунтах. В связных грунтах !
между частицами грунта кроме сил трения действуют еще и силы, сцеп-1
ления, в связи с чем обеспечивается естественная устойчивость откосов |
до определенного угла наклона. Наступает это критическое равновес-1
ное состояние, когда значение касательного напряжения в грунте имеет |
значение j
ту = с'+ С2-4) 1
При превышении этого напряжения может неожиданно наступить обру-1
шение откоса. ]
52
Угол наклона откоса и глубина сооружаемого котлована находятся
между собой также в определенной зависимости. При этом угол наклона
откоса уменьшается ио мере увеличения глубины котлована.
Удельное сцепление в зависимости от значения угла внутреннего
трения грунта Ф' и максимального значения нормального напряжения
о при одноосном напряженном состоянии и испытании в лабораторных
условиях на установках одноосного сжатия в ненарушенном состоянии
определено по следующей зависимости:
с’ ~ n/2tg (тг/4 - Ф'/2). (2.5)
При испытании устойчивости откосов котлованов, особенно для слу-
чаев вертикальных стенок, замечено изменение значения удельного сцеп-
ления во времени. При понижении температуры в зимнее время силы
удельного сцепления уменьшаются так быстро, что стенки, находившие-
ся вначале в устойчивом состоянии, обрушаются. Основной причиной
этого является изменение водонасыщенности грунта.
Котлованы с крутыми, незащищенными откосами могут выдержи-
вать изменяющиеся климатические условия лишь в течение коротких
периодов и должны быть записаны в минимально короткий срок. Силы
сцепления, уменьшающиеся во времени, могут быть несколько повыше-
ны за счет применения различных фильтрующих материалов или по-
крытий [90]. Применение этих материалов ведет к уменьшению влия-
ния находящейся в воздухе углекислоты, проникновению в грунт осад-
ков и испарению находящейся в нем воды. Углы откосов котлованов в
связных нескальных грунтах приведены в табл. 2.6, в полускальных
и скальных породах (при глубине не более 3 м) — в табл. 2.7.
При большой глубине котлованов необходимо проведение специаль-
ного расчета по обеспечению необходимой устойчивости. Для этих целей
Таблица 2.6
Грунт Число пластич- ности 1р Ф1,0 с', кН/м5 Глубина кот- лована t , м 6 Отношение высоты от- коса к его заложению Угол на- клона
Пылеватые пески <0,10 26 10 1 1 1:0,62 1:1,2 ^60 ^40
Связный гравий и песок <0,20 25...30 10 нА 1:0,48 1:1 65 45
Глины и пы- леватые глины >0,20 10... 17,5 35...20 СП 1 1 1:0,17 1:0,57 о со о о
Трещинова- тая скала, крепкий мергель, мягкий известняк Без пустот и зон раз- рушения 1 1 1 чО 1 1 1:0,27 1:0,48 1 1 1 ЧП Ч-) Г- ЧЭ 1«?? 1 1
Скала Ненарушенная порода, без пустот и трещин — V СП 1:0 1:0,17 90 80
53
Таблица 2.7
Грунт Плот- ность сложе- ния /р Символ по [207] Т> 3 кН/м3 Ф',° < си> кН/м2 а °
Глины — Т 20 15 25 80
Пылеватые глины гш-г ти 20 17,5 20 80
Пылеватые грунты — ит 18,5 20 10 70
Песок пылеватый, — SU, ST 20 30 10 65
глинистый
Гравий мелкий — кт
Илы — и 17 25 7 60
Песок с мелкими >0,4 SF 18,5 30 7 60
включениями <0,4 SF 17 25 5 50
Песок >0,4 SA, SN, SE 18,5 35 4 50
<0,4 SA, SN, SE 17 32 2 40
Гравий >0,4 КА, KN, KF 18,5 37 2 40
<0,4 КА, KN 18,5 32 1 35
в литературе приводится большое количество данных [41, 53, 54, 55,
123, 132, 158]. 3 обычной практике проектирования следует пользе-
ваться рекомендациями [230].
2.33. Проверка обеспечения устойчивости откоса. Статическая устой-
чивость откосов котлованов может быть определена расчетом по круг-
лоцилиндрическим поверхностям по методу Бишопа. По этой методике
для простейших случаев сооружения откосов составлена программа рас-
чета на ЭВМ при следующих допущениях [143,147]:
ровная поверхность откоса;
полное отсутствие поверхностных и грунтовых вод;
отсутствие транспортной нагрузки по верхнему краю откоса и исклю-
чение всяких сотрясений;
отсутствие трещин, вызванных растяжением грунта.
Метод расчета может применяться для несвязных грунтов с исполь-
зованием дополнительных данных;
угол наклона откоса /3 или заложения откоса п ~ ctg/З; (2.6)
угол внутреннего трения Ф';
показатель устойчивости N - с1 / pgli; (2.7)
коэффициент запаса статической устойчивости откоса т?.
По трем заданным значениям приведенных показателей всегда можно
определить четвертый по номограмме на рис. 2.10.
В тех случаях, когда необходимо учитывать разные значения коэффи-
циента устойчивости откоса и з?с, для показателя устойчивости с‘
вводится следующая поправка;
с'= (2-8)
Обычно с'= (1,3/1,5)с(и) =0,87с(к\
где с — нормальное сцепление в рыхлом грунте.
При определении значения коэффициента устойчивости откоса ??
при помощи номограммы (см. рис. 2.10) нужно учитывать, что произ-
54
ФАКТОР УСТОЙЧИВОСТИ N
'Jl
Рис, 2.10, Номограмма для определения устойчивости стенок котлованов [ 143J
Г ~ для мелких котлованов; П — для глубоких котлованов; III — зона ooi „
17 = 1,5; б - граница Т-Г1 при Т? = 1>0; в - граница Н-Ш при Т]-1,5; г - граница If-Ш при 1? = 1 >0
рушения откосов котлованов; а - граница I-U при
водить интерполяцию значений, лежащих между кривыми, нельзя. В
этих случаях определяют итеративное значение.
В случаях слоистого грунта номограммой можно пользоваться до тех
пор, пока прочность грунта в разных слоях примерно одинакова и грани-
ца между отдельными слоями грунта может быть представлена в виде
плоскости. В том случае определяются средние значения прочности на
срез. Скольжение грунта по круглоцилиндрическим поверхностям мо-
жет проявиться как разрушение основания откосов котлована или как
разрушение самих откосов.
Глубина залегания плоскости разрушения грунта определяется по за-
висимости
+ (2.9)
По данным на рис. 2.11 различаются следующие значения:
плоское разрушение основания откоса - 1;
глубокое разрушение основания откоса 1 <Drei< 1,2... 1,3;
разрушение грунта на откосе > 1,2—1,3.
При слоистом грунте плоскость скольжения может пройти по нижне-
му прочному слою грунта.
Эта номограмма (см. рис. 2.10) может быть также использована
при проектировании на откосе системы берм при условии, что средний
уклон откоса является постоянным по всей длине. Более подробно эти
расчеты и таблицы, позволяющие учесть пригрузку верхнего края отко-
са, приведены в работе [230].
Пример. Необходимо определить допустимый угол наклона откоса котлована
при глубине 8,0 м; 7/= 1,3 и следующих характеристиках грунта:
р = 2,0 т/м3; pg =20 кН/м3; с'= 25 кН/м2; Ф'=20°.
Решение. Показатель устойчивости по (2.2) :
№25/20=0,156.
По номограмме (см. рис. 2.10) для значения у = 1,3 получаем п = ctg/З = 0,56
или 3=61°.
Для укладки трубопроводов прокладываются траншеи с вертикаль-
ными стенками. Максимальные глубины траншей с незакрепленными
стенками по условиям обеспечения безопасности производства работ
приведены в разд. 2.1. Увеличение глубины возможно в тех случаях,
когда исключается необходимость работы в них людей.
Рис. 2.11, Обрушение по круглоци-
линдрическим поверхностям
Т — мелкий откос котлована;
И - глубокое обрушение откоса;
— обрушение коренного грунта от-
коса
56
Рис. 2.12. Исследование незакрепленной стенки
а - деформация стенки; б - схемы статической деформации; 1 - деформация;
2 — трещины деформации; 3 ~ плоскости скольжения; 4 - линия разрушения
грунта
При незакрепленных вертикальных стенках необходимо отметить,
что в непосредственно прилегающем к краю котлована грунте возникают
дополнительные напряжения растяжения, которые могут привести
к образованию трещин и разрывам грунта. При возникновении этих
трещин никакого перераспределения нагрузок произойти не может.
Таким образом по мере увеличения глубины трещин площади, по кото-
рым происходит передача усилий, уменьшаются. На рис. 2.12 изображены
возникающие в этих случаях деформации грунта, приводящие к смеще-
нию его части по круглоцилиндрическим поверхностям, проходящим
через основание вертикального откоса. В тех случаях, когда грунт в ос-
новании котлована или траншеи мягче, чем грунт, из которого сложены
стенки котлована, может произойти выпор грунта дна котлована.
Если стенки котлована воспринимают возникающие нагрузки, то
напряжение может быть найдено по (4.13) :
^ah &aha c^ahc'
При £’aft = 0 и Kahc = 2-jK^ получим
h =h = -^-tgOr/4 + Ф'/2) = -J== ,
Pg pg 4Kahi
(2.10)
где h — высота стенки; hc — глубина, на которой возникающие при прокладке
траншеи напряжения равны нулю.
С учетом возможной глубины образующихся в грунте трещин умень-
шается возможно допустимое значение глубины котлована /у. По дан-
ным рис. 2.12 можно записать следующее условие равновесия объема
грунта
G = pg/2(ft2 — z2)/tg(ff/4 — Ф'/2) = 2/Ccos(я/4 — Ф'/2).
Для величины Л* можно написать:
57
к =___£.41=*)_______
cos (тг/4 — Ф7-)
Таким образом получаем G -2с'{h - z) из выражения
pg /2 (h 2 -z2)t% (тг/4 - Ф'/2) = 2с' (й - z) ;
h = —- tg (л/4 t vj/2) -z = h -z=h' . (2.11)
Pg C €
Трещины в грунте могут распространиться на глубину, не превышаю-
щую половины глубины котлована z ~ li2h'e . Тогда
h . = hr. - 1/2 h' , или h‘ = 2/3 Л,.. (2.12)
C-r Xr V L *-
Таким образом свободная глубина котлована при наличии трещин в
грунте будет равна
h = W tg(„/4 + Ф'/2). (2.13)
•f pg
С учетом дополнительной пригрузки по краю котлована р и необхо-
димого запаса устойчивости вертикального откоса ту допустимая свобод-
ная высота стенки может быть определена из выражения
tg (тг/4 + Ф'/2) -
1 с TIPS Pg
(2-14)
Определяемая по (2.13) графическая зависимость между сцеплени-
ем, значением угла внутреннего трения, плотностью и высотой верти-
кального откоса приведена на рис. 2.13.
УГОЛ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ фГ
Рис. 2.13. Свободная высота неза-
крепленных стенок котлованов в
состоянии устойчивости
58
Пример. Для котлована с вертикальной незакрепленной стенкой высотой 2,5 м,
сооружаемого в связных грунтах, необходимо определить коэффициент запаса
устойчивости 7?. Характеристики грунта р = 2,0 т/м^; pg - 20 кН/м , с' ~ 25 кН/м2,
ф' - 20°.
Решение. Определим допустимую свободную глубину котлована с вертикальной
незакрепленной стенкой по (2.13):
й£=л' =-’-£--tg(45° + 20o/2) -4,77 м.
J ZU
Значение коэффициента запаса устойчивости стенки
=4,77/ 2.50 = 1,91.
Прир =0 (2.14):
1? = М45° + 20°/2) = 1,43.
В расчетах статической устойчивости наклонных откосов и вертикаль-
ных незакрепленных стенок котлованов [159] исходят из условия рав-
новесного состояния котлована при высоте стенки hGr. При определении
этого значения на различные возможные положения плоскостей или по-
верхностей скольжения накладывают максимальное значение полной
нагрузки от собственного веса грунта и давление, определяемого сила-
ми сцепления. Для равновесного состояния грунта соответственно
могут быть записаны следующие уравнения [(1.11) и (1.13Д)]:
Eah ~~2Pg^ahy(a) ^Gr ~ ^Kahy(a=0} ~
Отсюда можно записать, что
ы I.-
ahy(a)
(2-15)
где ~ составляющая горизонтального давления при 5^ — а = 0; —
составляющая горизонтального давления при 5 =0; Ct — угол между вертикаль-
ной осью и откосом котлована. а
При определении значения давления грунта необходимо при-
нять 5^ = а - 90° — /3, для того чтобы, как и при определении значения
давления грунта > можно было бы исходить из его равновес-
ного состояния.
Значения /д в уравнении (2.15), так же как для круглоцилиндричес-
ких поверхностей скольжения, могут быть определены по табл. 2.8.
Приведенные в таблице значения справедливы для крутых и вертикаль-
ных откосов с плоскими поверхностями скольжения грунта только
до момента образования трещин в грунте [ 159]. В противном случае
/Г4/^Л7(«=0> • (216)
При наличии трещин напряжения в грунте распространяются по высоте
на половину глубины котлована в соответствии с уравнением (2.13):
/-Г2,67/У^А7(й=()) . (2.17)
59
Таблица 2.8
er
о
hGr ~ ;
_=oi__
^ahy(a)
Условия применимости данных таблицы:
плоский откос;
горизонтальные поверхности над и под откосом;
отсутствие транспортной нагрузки по верхнему краю откоса;
отсутствие трещин, вызванных растяжением грунта.
а) для случая скольжения грунта по плоским поверхностям
Угол наклона откоса, 0 при Ф', °
10 15 20 25 27,5 30 32,5 35 37,5 40
25 30 35 23,8 17,7 14,4 57,4 33,4 23,5 237 77 42,6 ос 308 95,3 оо 1226 168 ос 373 оо 1469 ОС оо
40 12,2 18,3 28,8 50,8 72,3 111 194 428 1667 ФО
45 10,7 15,0 21,7 33,9 43,0 57,5 81,1 124 214 468
50 9,57 12,8 17,3 24,4 29,7 36,8 47,1 62.5 87,4 132
55 8,67 11,1 14,3 19,0 22,3 26,4 31,8 39,2 49,7 65,4
60 7,92 9,81 12,2 15,5 17,6 20,2 23,4 27,5 32,9 40,3
65 7,28 8,77 10,6 12,9 14,4 16,1 18,2 20,7 23,9 27,8
70 6,72 7,89 9,28 11,0 12,1 13,2 14,6 16,3 18,2 20,6
75 6,20 7,12 8,20 9,49 10,2 11,1 12,1 13,2 14,5 16,0
80 5,72 6,44 7,27 8,24 8,80 9,42 10,1 10,9 11,8 12,8
90 4,77 5,21 5,71 6,28 6,59 6,93 7,29 7,68 8,11 8,58
б) для случая скольжения грунта по кругло цилиндрическим поверхностям
25 15,9 31,3 83,3 со СЮ
30 12,8 20,8 40,0 100 217
35 11,1 16,1 26,3 45,5 76,7 125 260 ОС оо
40 9,82 13,3 18,5 28,5 35,7 47,6 66,7 111 217 ос
45 8,93 11,6 15,4 21,0 25,7 32,3 40,0 52,6 83,3 111
50 8,18 10,2 13,0 17,0 19,6 22,7 27,0 33,1 40,0 55,5
55 7,52 9,17 11,4 16,1 18,5 21,3 24,8 29,5 29,5 35,7
60 7,01 8,33 10,0 12,3 13,8 15,4 17,2 19,2 22,3 26,3
65 6,55 7,63 9,00 10,7 11,8 13,0 14,3 16,0 17,9 20,4
70 6,14 7,00 8,12 9,52 10,3 11,2 12,2 13,6 15,1 17,0
75 5,75 6,50 7,41 8,50 9,12 9,80 10,6 11,8 12,8 14,3
80 5,40 6,02 6,75 7,64 8,13 8,73 9,38 10,1 11,1 12,2
90 4,61 5,06 5,56 6,10 6,41 6,76 7,14 7,57 8,07 8,62
Рис. 2.14. Оползание откоса в одной из траншей для трубопровода
Определенная по (2 15) высота котлована позволяет судить о том, при
каком значении глубины следует опасаться возможности обрушения
стенки или откоса. Расчетная устойчивость для случая равновесного
состояния в этом случае определяется из выражения
’Ч = ~Н ’ (2-18)
где k^r определяется при скольжении по круглоцилиндрическим поверхностям.
Пример. Для котлована с в ысотой стенки 8,0 м необходимо определить значение
угла допустимого наклона откоса при заданном значении коэффициента запаса
устойчивости Т} = 1,3. Характеристики грунта:
р ~ 2,0 т/м3; pg = 20 кН/м3; е' = 25 кН/м2; Ф' = 20°.
Решение. Из уравнений (2.15) и (2.18) получаем:
hGr ~ fiV ~ 8»0-13 = 8,32.
По табл. 2.8 для значения Ф' = 20° и /л - 8,32 путем интерполяции определяем зна-
чение угла наклона откоса /3 = 69°.
Пример. Для котлована глубиной 2,5 м с вертикальными незакрепленными
стенками, сооружаемого в связных грунтах, необходимо определить значение ко
эффициента запаса устойчивости. Характеристики грунта следующие: р =2,0 т/м3:
/2g = 20 кН/м3; с'=25 кН/м2; Ф'= 20°.
62
решение. Определяем предельную высоту вертикального откоса по табл. 2-8
с учетом определяемого по (2.16) и (2.17) влияния трещин, вызываемых разры-
вом грунта под действием растягивающих напряжений
nGr Gr 4 Jp pg 4 20
Коэффициент устойчивости 1] по (2.18)
4 64
Соблюдение полущенного расчетом значения угла наклона откоса
котлована в процессе его эксплуатации должно быть неоднократно
проверено для того, чтобы исключить возможность появлений мест-
ных или общих обрушений откосов и стенок в связи с изменившими-
ся условиями (нагрузок и др.). На рис. 2.14 показан случай местного
обрушения откоса траншеи, сооруженной для прокладки трубопро-
вода.
ГЛАВА 3. ПРОСТЫЕ И КОМБИНИРОВАННЫЕ
КОНСТРУКЦИИ КРЕПЛЕНИЯ СТЕНОК КОТЛОВАНОВ
И ТРАНШЕЙ
Облицовка котлованов и траншей может быть выполнена следую-
щим образом:
а) вертикальные облицовки, состоящие из системы вертикальных
несущих стоек, пространство между которыми обшивается горизон-
тально расположенными элементами. Крепление устанавливается пос-
ле выемки грунта из котлована или траншеи без предварительного
закрепления стенок;
б) вертикальные подпорные конструкции. Крепление состоит из
вертикально располагаемого шпунта, который устанавливается до
отрывки котлована или параллельно с выемкой грунта и раскрепле-
ния горизонтальными распорками или специальными свайными насад-
ками;
в) несущие шпунтовые стенки. Сооружаются из вертикальных несу-
щих шпунтовых элементов, которые забиваются в грунт до его выем
ки, а затем раскрепляются горизонтальными распорками. Возможно
анкерное крепление шпунта;
г) крепление специальными плитами. Облицовка стенок котлова-
нов осуществляется специально изготовленными большеразмерными
плитами, устанавливаемыми сразу же после выемки грунта. Их за-
крепление осуществляется вертикальными или горизонтальными несу-
щими элементами, которые могут быть дополнительно раскреплены
распорками.
При устройстве глубоких котлованов с вертикальными стенками
в жилищном, промышленном и сельскохозяйственном строительстве
до установки несущих конструкций стенки должны быть облицованы
защитными элементами с покрытием из различных пленочных материа-
лов.
В соответствии с приведенной классификацией области их примене-
ния распределяются таким образом:
63
а) для небольших и средних котлованов;
б) ограниченная ширина строительной площадки;
в) близкое расположение строительного грунта;
г) в условиях, исключающих возможность сотрясений.
Описываемые в этой главе типы облицовок применяются только
в условиях ограниченного притока грунтовых вод. Уровень грунтовых
вод должен быть расположен ниже отметки дна котлована. В случае
необходимости водопонижение должно осуществляться закрытым
способом.
3.1. КРЕПЛЕНИЕ СТЕНОК КОТЛОВАНОВ ГОРИЗОНТАЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
Способ крепления стенок котлованов появился очень давно и до сих
пор широко применяется при сооружении небольших и сложных объ-
ектов. Он используется, когда по грунтовым условиям высота незакреп-
ленной части стенки не должна превышать 0,5 м, и отметка дна котло-
вана находится выше уровня грунтовых вод. Облицовка вертикальных
стенок котлованов горизонтальным шпунтом применяется в тех слу- '
чаях, когда две параллельные стенки котлована незначительно удалены
друг от друга. Конструкция таких стенок состоит из:
горизонтальных — деревянных, металлических или железобетонных
элементов;
вертикальных стоек, выполняемых из круглых деревянных стоек
или стальных балок;
горизонтальных или наклонных распорок из деревянного кругляка
или брусьев, стальных балок или из винтовых распорок при узких тран-
шеях;
элементов, обеспечивающих местную жесткость конструкции, состоя-
щих из дополнительных стоек и распорок.
Можно назвать следующие преимущества крепления стоек гори-
зонтальными элементами:
возможность устройства котлованов сложной конфигурации;
небольшая масса отдельных строительных элементов;
возможность многократного использования конструкций крепле-
ния.
Вместе с тем это решение имеет несколько недостатков:
ограничения применения машин для укладки трубопроводов и про-
изводства других видов работ из-за наличия большого числа попереч-
ных распорок;
необходимость повторного обеспечения устойчивости при разборке
и вторичной сборке распорок;
возможность потери устойчивости стенок при снятии распорок в про-
цессе выполнения строительных работ.
3.1.1. Облицовки траншей. При осуществлении конструкции с гори-
зонтальными элементами для защиты стенок траншей при прокладке
трубопроводов (рис. 3.1) применяются следующие конструктивные
решения:
толщина досок, применяемых для обшивки, должна быть не менее
50 мм;
деревянные стойки сечением не менее 100x140 мм должны поддер-
живать по длине не менее четырех горизонтальных элементов или досок;
64
Рис. 3.1. Траншея для трубопровода
с облицованными стенками и дрена-
жем на дне
при применении металлических стоек их сечение должно быть не
менее [10;
диаметр деревянных стоек круглого сечения должен быть не менее
100 мм и на концах иметь фаску.
Для обшивки стенок траншей применяются обычно доски длиной
от 4,0 до 4,5 м, шириной от 200 до 300 мм и толщиной от 50 до 70 мм.
Для каждого отдельного участка обшивки допускается применение
досок только одинаковой длины, так как не допускается надставка их
по длине. Вместо деревянной может быть применена металлическая
обшивка из профилированных элементов. В обычных условиях длина
стоек и распорок от 1,5 до 2,5 м. Стойки должны располагаться на рас-
стоянии не более 200 мм от конца горизонтальной доски. Доски длиной
2,5; 4,5 м крепятся к трем стойкам. Длина вертикальных стоек не менее
I м, это позволяет расположить по их длине не менее двух распорок.
На рис. 3.2 показана конструкция крепления стенок траншеи для уклад-
ки трубопровода, выполненная из досок. Конструктивные решения при
сооружении смотрового колодца в торце узкой траншеи показаны на
рис. 3.3.
При прокладке трубопроводов часто недостаточно расстояние между
нижним ярусом распорок и дном траншеи. Это ведет к необходимости
установки более прочных и длинных стоек, способных воспринимать
большие изгибающие моменты. На рис. 3.4 показано решение, позволяю-
щее обойтись без нижней распорки. В этом случае кроме обычных корот-
ких стоек почти на всю высоту крепления стенок дополнительно уста-
навливаются длинные вертикальные стойки, имеющие большую проч-
ность, и нижние распорки крепятся на большей высоте от дна траншеи.
На рис. 3.5 показано конструктивное решение крепления стенок
траншеи для укладки стального трубопровода диаметром 800 мм.
Стойки для закрепления горизонтальной обшивки выполнены из метал-
лических профилей. В основание заложены металлические трубчатые
распорки диаметром 60 мм при толщине стенки 4 мм (рис. 3.5,я) и
в верхней части траншеи установлены две деревянные распорки. Тем
самым обеспечивается пространство, необходимое для производства
65
Рис. 3.2. Крепление траншей
1 - нижний опорный брус; 2 - клинья; 3 — обшивка стенок d - 50 мм; 4 -
стойка крепления траншеи 100x140; 5 — деревянные (d = 100) или винтовые
распорки; 6 — трубопровод
работ по укладке трубопровода. Для монтажа отдельных секций тру-
бопровода были предусмотрены участки длиной по 6 м, на которых
распорки не устанавливали. Трубы укладывали в траншею в этих местах
и затем протягивали до места установки.
На рис. 3.5,0 показан план участка, на котором осуществляется опус-
кание отдельных участков труб. После выемки грунта в траншее уста-
навливаются специальные металлические рамы, исключающие возмож-
ность обрушения стенок. В качестве нижней распорки служило бетонное
основание траншеи, в которое были заведены нижние концы стоек.
Если по краю траншеи предусмотрено движение транспорта или
строительных механизмов, вертикальное крепление стенок траншей
должно быть усилено. В этом случае верхние распорки должны быть
расположены на глубине не более 0,5 м от поверхности земли и в случае,
если дорога для подъезда транспорта расположена на расстоянии менее
1 м от края траншеи, их количество должно быть удвоено.
3.1.2. Крепление стенок котлованов. При устройстве широких кот-
лованов с вертикальными стенками в условиях, исключающих возмож-
ность сотрясения грунта, возможно применение вышеописанных кон-
струкций с горизонтальными элементами обшивки. Закрепление стенок
котлована осуществляется двумя методами:
1) по периметру будущего котлована сооружается щелеобразная
траншея, стенки которой закрепляются вышеописанным методом, пос-
ле чего производится выемка основного грунта котлована (рис. 3.6) ;
2) вначале производится разработка основной части грунта в котло-
ване с откосами, после чего производится выемка грунта, который ле-
жит в основании откоса, его последующее закрепление обшивкой, кото-
рая раскрепляется к существующему сооружению (рис. 3.7).
На рис. 3.8 показано поэтапное выполнение работ по первому вариан-
ту при сооружении железнодорожного моста в условиях непрекращаю-
66
Ряс. 3.3. Поперечное сечение крепления траншей с угловыми пере*
сечениями и торцевыми стенками
а — крепление при наличии угловых пересечений; бив — крепле-
ние торца траншеи; г - торцевая облицовка узкой траншеи при не-
закрепленных стенках; due - торцевая облицовка траншей с приме-
нением распорок и подкосов; 1 — стойки; 2 — распорки; 3 — обли-
цовка; 4 — обшивка; 5 — клинья; 6 — раскосы на углах; 7 — обшив-
ка; 8 — упорные клинья; 9 — угловые стойки
щегося движения. Вначале были разработаны две щелеобразные проре-
зи с креплением их горизонтальной обшивкой. После выполнения этого
этапа работ были установлены многочисленные деревянные распорки.
Распорки длительного применения и их оголовки были выполнены
из металла. Параллельно выемке грунта осуществлялась постепенная
замена деревянных распорок на металлические и устанавливалась обли-
цовка стенок траншей. На рис. 3.9 приведено конструктивное решение
опоры мостового перехода.
3.1.3. Монтаж и демонтаж конструктивных элементов. Распорные
элементы при применении стенки с горизонтальной обшивкой должны
устанавливаться одновременно с выемкой грунта. Верхний пояс крепле-
ния, который состоит максимально из четырех досок обшивки длиной
по 1 м и распорок, устанавливаемых при достижении глубины выемки
67
Рис. 3.4. Крепление траншей с высоким рас поло- '
женнем нижних распорок
I — обшивка; 2 — стойки; 3 — винтовые рас-
порки; 4 — стойка или металлическая балка в
качестве направляющих; 5 ~ распорка направ-
ляющих стоек
грунта 1,25 м. Верхний край обшивки должен минимум на 50 мм воз-
вышаться над краем грунта, с тем чтобы исключить возможность паде-
ния в траншею камней, комков грунта, и поддерживать полосу вдоль
края траншеи.
Элементы обшивки устанавливаются по мере выемки грунта. Они
должны по возможности наиболее плотно прилегать к поверхности грун-
та с тем, чтобы обеспечить равномерную передачу нагрузки. В сухих
однородных грунтах, которые могут проникать между отдельными эле-
ментами обшивки, необходимо применение дополнительного уплотне-
ния продольных швов, что осуществляется заполнением их древесной
стружкой, искусственной шерстью или другими материалами. Шов меж- ’
ду отдельными элементами обшивки не должен быть шире толщины ;
самой обшивки. Это требование справедливо также при устройстве S
крепления в устойчивых грунтах. Полости, образующиеся за обшивкой, ч
должны быть заполнены песком и хорошо утрамбованы.
При пересечении двух траншей обшивка прерывается и ее элементы '
закрепляются дополнительными стойками и распорками. При примем s
нении элементов длиной до 2,5 ми толщиной 50 мм распорки могут J
устанавливаться на средней доске обшивки. $
Стойки, выполняемые из дерева или металла, должны плотно при-
летать к обшивке и быть дополнительно закреплены таким образом, ?
чтобы исключить возможность их кручения и смещения. j
Распорки либо забиваются сверху, либо применяются дополнитель- -1
ные клинья. В тех случаях когда возможно ослабление распорок вслед- 1
ствие деформации обшивки их закрепляют скобами. Распорки устанав-
ливаются таким образом, чтобы они концами упирались в стойки, а не j
в элементы обшивки. Винтовые распорки показали себя с хорошей сто- }
роны, так как при ослаблении возможна их подтяжка. Распорки, кото- j
рые будут воспринимать вертикальные нагрузки от подвешиваемых ?
к ним конструкций по концам, должны иметь дополнительные под- ।
порки. $
68
21 20
ОСЬ ТРАНШЕИ
Рис. 3.5. Конструктивные детали за-
крепления траншей для укладки тру-
бопровода и устройства опускной
обшивки
а — устройство траншей трубо-
провода; б — устройство опускной
обшивки; в — сечение обшивки тран-
шей и опускной обшивки
Примечание. В сечениях проме-
жуточная обшивка показана штри-
ховкой
7 - временные распорки из круг-
ляка ф 100 мм; 2 - стойка; 3 — об
шив к a d ~ 60 мм; 4 — клинья из
прочного дерева; 5 — распорка
ф 120 мм; 6 — 1-180x6, I = 200 мм;
7 - направляющие для укладки секций труб; 8 — основание траншеи;
9 - металлические распорки из труб ф 60 мм, толщина стенок не менее 4 мм;
10 - 114 или 116, I -2900 мм, шаг 1,5'м; 77 - рамы — 12 - временные распорки
из кругляка ф 120 мм; 13 - монтажные балки для подвески рам (J.36); 14 - бал-
ки жесткости, устанавливаемые до подвески рам; 13 — покрытие из швеллеров
длиной I = 1 м; 16 — подкладка из стали или прочных пород дерева; 17 - верти-
кальные стойки опускной обшивки ф 120 мм; 18 — обшивка из досок 120x40 мм;
19 - отметка дна траншеи; 20 — прокладка из пропитанной битумом бумаги;
21 — бетонная подготовка 200 мм; 22 — трубчатые распорки; 23 — стойки
ф 100 мм для защиты от опрокидывания; 24 — рамы С болтовыми противоизгиб-
ными соединениями
69
Рис. 3.6. Крепление вертикальных стенок широкого котлована
й - проходка направляющей траншеи; б - устройство несущего элементе с его
анкеровкой; в - опирание стенок котлована на несущий элемент; г - вид сверху
на анкерное крепление; 1 - анкер из круглой стали; 2 - распорки; 3 - металли-
ческие несущие стойки; 4 - стойки; 5 - обшивка; 6 - траверса; 7 - поперечная
балка; 8 — клинья
Конструкция крепления на каждом этапе работ должна проверяться
ответственным за ее сооружение лицом, обращающим основное внима-
ние на надежность всех элементов крепления. При перерыве в работах,
вызванных дождем, морозами или оттепелями, все элементы должны
быть проверены.
После окончания строительных работ распорки демонтируются посте-
пенно, по мере обратной засыпки траншеи. Стенка не может оставаться
Рис. 3.7. Поэтапное сооружение и закрепление стенок
котлована
а - бетонная конструкция, устанавливаемая в тран-
шее; б - устройство траншеи с ограждением; в - уст-
ройство основания вертикальной стенки траншеи из бе-
тона; г — установка бетонной конструкции и ее за-
крепление грунтом с уплотнением
70
Рис, 3.8. Поэтапное устройство котлована для мостовых опор
а - выемка грунта и устройство котлована в верхней части; I - вспомога-
тельная балка; 2 ~ противофильтрационное ядро; б — установка распорок и даль-
нейшая разработка котлована: 1 — поперечная балка жесткости с диагональной
связью; 2 - деревянная монтажная балка 500x500; в — устройство средней части
опоры; г - углубление котлована и устройство нижней части опоры: 1 - деревян-
ная монтажная балка; д — окончательное устройство котлована и бетонной по-
дошвы: I — бетонное основание, укладываемое слоями; е - устройство опоры,
установка несущей балки и заполнение задней части опоры бетоном; 1 — несущая
балка; 2 — опора; ж — общий вид мостового перехода: I — несущая плита мос-
тового перехода; 2 — опора; 3 — заполнение; 4 — оставляемая в земле обшивка
в не раскрепленном состоянии более чем на высоту двух досок обшивки.
В некоторых случаях приходится устанавливать дополнительные вре-
менные распорки, которые удерживают элементы обшивки и не распи-
раются основными распорками, а стойки, в которые они упирались,
снимаются. Установка временных распорок должна проводиться очень
тщательно, так как ни в коем случае не допускается потеря устойчивос-
ти крепления стенок траншеи. Как показывает практика, основное чис-
ло несчастных случаев происходит во время установки временных и
снятия основных распорок в процессе обратной засыпки траншеи.
3.1.4. Расчеты элементов конструкции крепления стенок. Давление
грунта на отдельные элементы конструкции крепления стенок траншеи
при применении горизонтальной обшивки не может определяться но тео-
рии Кулона. В связи с неоднократными перемещениями грунта давление
должно определяться с учетом изменений его характеристик. Чаще все-
го производится расчет по Леманну (см. рис. 1.17)» причем в целях уп-
71
Рис. 3.9. Конструктивное решение опоры моста (см. рис. 3.8)
а — поперечное сечение; б — продольный разрез; в — вид сверху; г — узел
”А"; д — разрез А—А; 1 — продольная балка \26; 2 — L 100x10; 3 — распорка
114; 4 — приваренная горизонтальная связь L 100x10; 5 — 126,1=4,5 мм; 6 —
поперечная связь L 100x10; 7 — продольная связь L 100x10; 8 — промежуточная
балка жесткости; 9 - дощатая обшивка 120x120 мм; 1-4,5 мм; 10 - продоль*
ная балка [ 30; 11 - распорка 116; 12 -122,1 = 4 м; 13 - обшивка 100x100 мм;
14 - 118,1 = 3,75 м; 15 - обшивка d = 80 мм; 16 - обшивка d =40 мм; 17 - ут-
рамбованный бетон под несущими стойками; 18 — горизонтальные связи; 19 -
клинья; 20 - 60x60x70; 21 - деревянное заполнение; 22 - L 80x120x12; 23 -
клинья из прочных пород дерева; 24 — подкладка
72
Рис» 3.10- Схема расчета котлована с обшивкой стенок
а — сечение котлована; б — давление грунта; в — нагружение сто-
ек; г — нагружение распорок; д — поперечное сечение котлована;
е — нагрузка на обшивку
ращения расчетов для всех случаев устройства малых котлованов при-
нимается равномерно распределенная нагрузка.
При этой нагрузке давление грунта в соответствии с рис. 3.10,6 опре-
делится как
ее ~ + ер ~ ес •*
Для вертикальных стенок и горизонтальных элементов имеем
ее ~ + p^ahy ~ )
Для элементов, обеспечивающих устойчивость стенок, величина
равномерно распределенной нагрузки для полосы шириной 1 м опреде-
ляется по формуле
q = е 4,00 м, кН/м, (3.2)
•tz t-
Если пренебречь действующим на концах элементов обшивки момен-
том, приводящим к их разгрузке, то изгибающий момент, действующий
в среднем сечении каждого элемента обшивки, будет равен
minA/s = . (3.3)
В середине пролета между двумя стойками момент будет равен
73
maxMyz= +0,07^/2 .
(3-4)
Момент в середине пролета стойки, раскрепляемой двумя распорка' 1
ми, будет равен
тахЛ/= +0,10<7й /2 . (3.5)
Это значение несколько меньше теоретически найденного момента в
этом сечении:
шахМ^ =+0,125<7йЛ .
Распределенная нагрузка (см. рис. 3.10,й) определяется по фор-
муле
^=еЛ’к^м’ (3.6)
где — давление; — расстояние между распорками.
Момент, действующий в середине пролета между двумя смежными
распорками, будет равен
тахЛ/^ = 1/8^ (Л2 - 4Л2 ). (3.7)
Величина нагрузки на каждую распорку может быть определена
непосредственно по схеме распределения давления грунта (см. рис.
3.10,г) или по формуле
^ = ^(^!/2), кН. (3.8)
Пример. Для случая крепления стенки горизонтальными элементами обшивки
необходимо определить значение поперечных сил. При этом известно, что рп —
= 1,75 т/м^; pg = 17,5 кН/м ; Ф' = 35°; с' = 0. Величина действующей нагрузки
р = 5 кН/м2.
Решение. Давление грунта при 6^ — 0 по (3.1):
Kafiy= tg2 (45° “ 35°/2) =0’271;
е = 0,6-17.5-3.60-0,271+5,0-0,271 =11,60 кН/м2.
С-
Момент, действующий на распорные элементы по (3.2) и (3.3) при =2,1 м
minJW =-1/8-11,60-1,0-2,102 =-6,39 кН-м.
Л
Момент, действующий в середине пролета по (3.6) и (3.7) при Л = 0,60 м и h =
= 0,20 м составит 1 2
шахМр- 1/811,60-2,10(0.602-4-0,202) =1,58 кН-м.
Сила сжатия, действующая на одну распорку, по (3.8) будет равна
Г = 11,60"2 2,10 (0,60/2+0,20) =12,18 кН.
Кроме того,на стойки действуют еще и вертикальные силы, которые должны быть
определены и измерены на месте.
1
$
>
1
J
I
I
I
74
3.2. ВАРИАНТЫ ВЕРТИКАЛЬНОГО КРЕПЛЕНИЯ СТЕНОК КОТЛОВАНОВ
Вертикальные конструкции крепления стенок котлованов могут
выполняться различными способами, при которых две расположенные
друг против друга стенки распираются распорками или каждая стенка
крепится анкерами, заделанными в грунт. Может быть осуществлен так-
же вариант крепления, когда вертикальные стойки заделываются в осно-
вание земляной выработки,
3.2.1. Применение вертикальных креплений котлованов. Вертикаль-
ное крепление стенок применяется в случаях, когда котлованы устраи-
ваются в рыхлых несвязных грунтах, мягких связных грунтах или когда
устойчивость грунта обеспечивается на высоту не более одного или двух
элементов горизонтальной обшивки. Выбор способа крепления зависит
также от технических условий его осуществления, механизации работ,
наличия строительных материалов, необходимых для создания облицов-
ки. В общем применение вертикального крепления стенок котлованов
возможно во всех легких и средних грунтовых условиях.
Основными конструктивными зле ментами крепления являются:
деревянные или металлические вертикальные стойки жесткости;
горизонтальные элементы обшивки, выполняемые из дерева или
металла;
распорки из кругляка или брусков, стальные несущие стойки из
изменяющегося по длине проката;
различные виды насадок.
Преимущества вертикального крепления состоят в следующем:
установка несущих стоек до или в процессе выполнения работ по
выемке грунта;
возможность применения в котлованах сложной конфигурации;
применение в неустойчивых рыхлых грунтах и при среднем значении
притока грунтовых вод;
относительно большое рабочее пространство для ведения работ в
траншее с относительно небольшим объемом земляных и монтажных
работ;
возможность извлечения всех элементов конструкции при обратном
заполнении траншеи грунтом для их повторного использования;
минимальное число распорок;
высокая оборачиваемость элементов конструкции.
Недостатками конструкции являются:
ограничение возможности применения по грунтовым условиям;
необходимость переукладки кабелей и трубопроводов до начала
работ по возведению конструкции стенки;
разрушение невыявленных заранее коммуникаций, находящихся
з грунте;
создание шума и вибраций при забивке стоек.
Вертикальные стенки с горизонтально расположенными элементами
обшивки применяются как в одноярусном, так и многоярусном испол-
нении и могут располагаться вертикально или наклонно.
3.2.2. Одноярусное вертикальное крепление стенок котлованов.
Одноярусное вертикальное крепление стенок в зависимости от грунто-
вых условий, типа и высоты используемых вертикальных стоек может
применяться для котлованов глубиной до 4 м и в исключительных слу-
чаях - до 5 м.
75
Широко применявшееся ранее крепление с использованием дере* J
вянных стоек в настоящее время практически не встречается. В связи
с этим описание конструкций вертикального одноярусного крепления f
приводится очень кратко.
Используемые элементы должны удовлетворять следующим требо- J
ваниям: .*
стойки, используемые для обеспечения необходимой жесткости
обшивки, должны иметь толщину не менее 50 мм, прямоугольное попе- =
речное сечение, параллельные поверхности и, в случаях возможной их =
забивки в грунт, металлические оголовки;
стойки круглого сечения должны иметь диаметр не менее 120 мм;
сечение горизонтальных связей, выполняемых из деревянных брусков,
не менее 120x160 мм;
хомуты, подвешиваемые к горизонтальным связям, при изготовле-
нии прокатных профилей должны иметь поперечный диаметр не менее
16 мм, при использовании полосового проката — сечение не менее 10х
хЗО мм, а при использовании цепей или тросов их сечение должно опре-
деляться расчетом. Металлические хомуты допускается применять толь-
ко в случаях, если ими соединяются деревянные элементы.
Конструктивное решение деревянного вертикального крепления
в грунтах, не подверженных сильным деформациям, показано на рис.
3.11.
Широко применяется устройство вертикальных креплений, не имею-
щих распорок в нижней части, что позволяет существенно расширить
рабочее пространство и использовать различные механизмы при произ-
водстве работ по выемке и обратной засыпке грунта. По сравнению с
деревянными металлические элементы имеют то преимущество, что
возможно их многократное использование.
Процесс возведения вертикального крепления непрерывен и состоит
из следующих рабочих операций: забивка стоек, выемка грунта; уста-
новка продольных связей; прокладка коммуникаций в траншее; обрат-
ная засыпка траншеи грунтом, снятие распорок, облицовки, насадки и
извлечение стоек.
До забивки или опускания стоек производится установка верхней
рамы, которая фиксирует их положение и устанавливается на заранее
.1
3
Я
3
I
SJ
ч
3
3
Рис. 3.11. Сооружение траншеи в
слабодеформируемом грунте
а — установка шпунта в направ-
ляющие; б — конечное состояние
одноступенчатого котлована; 1 —
деревянный шпунт; 2 — деревян-
ные распорки; 3 — клинья; 4 —
направляющие брусья с фиксацией
расстояния между шпунтами (см.
рис. 4.35}; 5 - рамы; 6 - подвес-
ки; 7 — деревянные или винтовые
распорки; 8 — нижний пояс
S
1
I
76
спланированную площадку. Это позволяет произвести точную забивку
свай или шпунта и точно выдержать внутренний размер траншеи (см.
рис. 3.11,й). Для того чтобы забиваемые стойки или шпунты плотно
прилегали к продольным поясам установленной рамы с ее внутренней
стороны на расстоянии, определяемом их толщиной, устанавливаются
вторые продольные брусья, которые раскрепляются дополнительными
распорками. В образующийся между этими двумя продольными брусья-
ми зазор устанавливаются концы свай или шпунта, после чего начинает-
ся их забивка. Шпунт должен плотно прилегать друг к другу, чтобы ис-
ключить образование щелей. При этом исключается возможность их про-
гибов или скручиваний.
Стойки забиваются по мере увеличения глубины выемки или сразу
на всю необходимую глубину. Поперечные связи в неустойчивых рых-
лых грунтах устанавливают на расстоянии не более 300 мм от поверх-
ности вынутого грунта. Лишь в устойчивых рыхлых грунтах концы за-
биваемых направляющих стоек могут фиксироваться непосредственно
в грунте.
Верхний край устанавливаемых горизонтальных досок обшивки
(см. рис. 3.2) возвышается над поверхностью прилегающей к траншее
площадки или полосы в соответствии с конкретными условиями строи-
тельства.
После забивки направляющих свай или шпунта котлован разрабаты-
вается на такую глубину, насколько это позволяют конкретные грун-
товые условия по требованию устойчивости незакрепленного грунта.
После того как будут установлены верхние распорки, выемка грунта
производится гидравлическим экскаватором (грейфером). Установка
последующих ярусов продольных связей и поперечных распорок произ-
водится по мере выемки грунта таким образом, чтобы в любой момент
обеспечивалась необходимая устойчивость стенок. Средний ярус распо-
рок должен, по возможности, устанавливаться позднее, чтобы обеспечить
максимум свободного пространства для ведения строительных работ.
При этом способе производства работ забитые стойки раскрепляются
к продольным связям при помощи клиньев, с тем чтобы последние
находились в нагруженном состоянии (ослабление возможно только во
время установки продольной сплошной обшивки стенок). Снятие этих
распорок должно производиться за минимально возможное время.
Продольные связи (пояса) во избежание их сползания закрепляются
специальными хомутами за вышерасположенные элементы конструк-
ции. Торцы продольных поясов могут быть смещены один относительно
другого, но лучше, если эти пояса располагаются на одном уровне и свя-
заны между собой. Поперечные распорки хомутами из круглокатаной
стали или полосового железа крепятся к стойкам.
Конструкция крепления вертикальных точек стенок прокатными
профилями показана на рис. 3.12 в различных возможных вариантах.
На этом рисунке показано поперечное сечение профиля FKD IV, имеюще-
го следующие технические характеристики: b - 252 мм; Л = 44 мм;
Г = 4 мм; mD - 11,62 кг/м; = 46 кг/м2; - 67смэ; =
= 140Н/м2.
3.2.3. Многоярусные вертикальные конструкции крепления стенок.
Котлованы глубиной более 4 м должны крепиться многоярусными
конструкциями. Количество ярусов крепления зависит от сопротивле-
77
Рис. 3.12. Шпунтовая стенка из профилированных элементов
а - пояс из 1-балок; б — пояс из деревянных брусьев; в - вид на
шпунтовую стенку; г - поперечное сечение профилированного
шпунтового злемента; 1 — основная балка, лежащая на грунте;
2 - пояс из I-профиля; 3 - шпунт; 4 - направляющая; 5 - хомут;
б - главная рама; 7 - пояс из деревянных брусьев; 8 — навески;
9 - опорная балка, лежащая на грунте; 10 - распорка; 11 — под-
порки; 12 — опорная пластина; 15 - главная рама; 14 - поддержи-
вающий хомут; 15 — рама
ния грунта забивке в него свай и от типа используемых вертикальных
стоек. Многоярусное крепление может быть осуществлено с вертикаль-
ными или слабо наклоненными стенками. В первом случае с увеличени-
ем глубины земляная выработка становится все более узкой, тогда как
во втором случае обеспечивается постоянная средняя ширина.
На рис. 3.13 показан один из вариантов двухъярусного крепления
вертикальных стенок. Этот вариант находит широкое применение в гор-
нопроходческой практике. Продольные связи в этом случае закрепляют-
ся к стойкам. Если стойки не могут обеспечить восприятие всей прихо-
дящейся на них нагрузки, решение для верхнего пояса см. на рис. 3.12,6.
Стойки двух- и более ярусного крепления забиваются в грунт с неболь-
шим наклоном во внешнюю сторону. Продольные связи и пояса устанав-
ливаются либо на уровне концов забитых стоек, либо на их середине.
В обоих случаях продольные связи подвешиваются к верхним концам
вертикальных стоек, за которые заводится продольная горизонтальная
обшивка. Верхняя продольная балка (брус), фиксирующая ширину
выемки (см. рис. 3.13,6), укладывается на заранее уложенные брусья,
лежащие поперек котлована (шахты), если вертикальные усилия от ус-
танавливаемого шпунта не могут быть переданы непосредственно на
78
Рис. ЗЛЗ. Двухъярусное крепление стенок котлована
а — с незакрепленными стенками; б — с обжатыми стенками; 1 — распорка
ф 120 мм; 2 — подвеска; 3 — поддерживающий пояс; 4 — клинья; 5 - фиксаторы
ширины ф 140 мм; 6 — простая или винтовая распорка; 7 — шпунт; 8 — обвязка;
9 - главная рама 120x160; 10 - строительные струбцины; 11 — основная балка
160x160 или ф 160; 12 — шпунт или обшивка; 13 — промежуточные рамы 120х
160; 14 - распорная доска 60x140; 15 — подвеска нижней рамы на круглом сталь-
ном прутке ф 16 мм; 16 - подвеска рам на металлических полосах
грунт. Уложенные горизонтально поперек выемки брусья должны опи-
раться на естественный грунт не менее чем на 600 мм с каждой стороны.
На эти поперечные брусья укладываются продольные, которые в свою
очередь закрепляются верхними распорками.
Вариант двухъярусного вертикального крепления круглой выемки,
имеющей ширину наверху 10,5 м и внизу 8,5 м, показан на рис. 3.14.
На рисунке видна установленная в нижней части сплошная металличес-
кая облицовка, которой будет покрыта затем вся выемка, и установка
для понижения уровня грунтовых вод.
3.3. ПОДПОРНЫЕ СТЕНКИ С ЗАПОЛНЕНИЕМ
Шпунтовые стенки, называемые берлинским способом крепления
стенок, выполняются с использованием вертикальных и горизонтальных
отдельных конструктивных элементов. Несущие шпунтовые стенки при-
меняются в тех случаях, когда имеет место большое давление грунта,
транспортные и строительные нагрузки на края котлована, а также в
слабых, неустойчивых грунтах, когда обычных конструкций вертикаль-
ного и горизонтального крепления стенок недостаточно.
Основными конструктивными элементами крепления являются:
несущие элементы из железобетона или металла, устанавливаемые
вертикально в заранее пробуренные отверстия;
79
Рис. 3.14. Двухступенчатая вертикаль-
ная обшивка шахты
горизонтальные ребра жесткости из дерева, металла или железобе-
тона;
горизонтальные распорки, выполняемые из дерева, металла или
железобетона, или грунтовые анкера.
На рис. 3.15 изображено поперечное сечение стенки с несущими стой-
ками. Вертикальные несущие элементы выполняются в разных вариан-
тах и устанавливаются с применением различных механизмов.
На рис. 3.16 показаны следующие конструктивные элементы:
установленные в пробуренные скважины стойки, или стойки, установ-
ленные с применением вибропогружателей;
стойки, выполненные из металлических труб с приваркой необходи-
мых дополнительных конструктивных элементов.
Стенки из несущих вертикальных стоек могут выполняться в виде
продольных стенок, стоящих друг против друга; угловых стенок или
отдельно стоящих стенок.
Преимущества этого типа крепления:
возможность применения более высокопроизводительной техники
(в связи с большей жесткостью стенок и большей свободной площадью
котлована);
восприятие относительно большего давления грунта;
80
Рис. 3.15. Крепление котлована шпун-
товой стенкой
/ - несущая стойка I-профиля;
2 — пояс из [-профиля; 3 — рас-
порка; 4 - шпунт; 5 - клинья;
<5 — пластина для обеспечения на-
дежности опирания; 7 - консоль;
S - грунтовая стенка
Рис. 3.16. Варианты шпунтовых стенок
а — поперечное сечение котлована;
б - рамная конструкция шпунтовых сте-
нок; в. — шпунтовая стенка с пробуренны-
ми стойками; г — шпунтовая стенка из
пробуренных скважин; 1 — несущая стой-
ка; 2 - горизонтальный пояс; 3 — рас-
порка; 4 - шпунт; 5 - клинья; 6 - не-
сущая трубчатая стойка с заполнением;
7 — пробуренная скважина для установки
стойки
возможность применения в различных грунтовых условиях (в рыхлых
связных и несвязных грунтах);
возможность многократного использования строительных элементов
крепления.
Недостатками этого типа крепления являются сотрясение грунта
и значительный шум при забивке стоек в грунт.
3.3.1. Забиваемые в грунт стойки. Несущие стойки забиваются в грунт
до начала работ по выемке грунта. Забивка осуществляется на глубину,
достаточную для закрепления стоек в грунте или сразу на полную необ-
81
Рис. 3.17. Установка копра для’’
забивки стоек шпунтовой стенкй
ходимую глубину. На рис. 3.17 показан механизм для забивки стоек. ?
Он устанавливается на расстоянии от 1 до 2 м от края будущего котло- »;
вана. Глубина забивки определяется статическим расчетом на устойчи- J
вость стенки. Обычно глубина забивки стоек на 1,5—3,0 м ниже дна кот-1
лована.
В качестве стоек желательно использование профилей, имеющих боль *
шой момент сопротивления, обеспечивающий необходимую жесткость ;
при забивке. Поэтому чаще всего используются металлические профили :
двутаврового сечения. Такой тип профиля имеет то преимущество, что j
Рис. 3.18. Устройство скважины
для установки стоек шпунтовой ;•
стенки шнековым бурильным аг-
регатом 4
82
возможна более легкая установка горизонтальных элементов, создаю-
щих сплошную облицовку поверхности грунта.
При сооружении широких котлованов рекомендуется применение
средних по мощности машин, которые устанавливаются с внутренней
стороны котлована. Усиление откосов котлованов производится метал-
лическими швеллерами, которые при сооружении глубоких котлованов
располагаются между первыми и вторыми распорками и забиваются
на полную глубину котлована.
3.3.2, Забуриваемые стойки. Применение забуриваемых в грунт
стоек вызывается необходимостью в ряде случаев полного исключения
сотрясений грунта и возникновения шума в процессе производства ра-
бот. На рис. 3.18 показана установка шнекового бурильного агрегата.
В качестве несущих вертикальных элементов при этом в пробуривае-
мые отверстия опускаются металлические или железобетонные несущие
стойки, в некоторых случаях используются бетонные элементы. Такой
способ крепления стенок применяется также в тех случаях, когда грунт
не выдерживает нагрузок, возникающих при забивке стоек. В рыхлых
грунтах пробуриваемые отверстия закрепляются металлическими труба-
ми или специальными растворами.
После установки стальной стойки в обсадную трубу пространство
между стойкой и стенками трубы заполняется твердеющим раствором.
Способ закрепления стоек в основании траншеи или котлована зависит
от местных грунтовых условий и величины вертикальных усилий, пере-
даваемых на стойки. Когда величина вертикальных усилий определя-
ется только весом стоек, нет необходимости в применении каких-либо
специальных мероприятий. Сооружение бетонной плиты основания или
бетонных пробок под каждой стойкой необходимо, если на них переда-
ются дополнительные нагрузки. Однако в последнем случае полностью
исключается возможность последующего извлечения стоек из грунта
после окончания всех строительных работ. Высокая несущая способ-
ность стоек достигается в том случае, если они опускаются в пробурен-
ные отверстия на всю глубину или забиваются на глубину, на которую
они должны быть опущены под основание котлована. Глубина возводи-
мой таким образом стенки определяется технологическими условиями.
3,3.3. Устройство обшивки. Для заполнения пространства между
стойками или шпунтом применяются следующие виды обшивки:
деревянные доски толщиной не менее 50 мм,
деревянные бруски или кругляк диаметром не менее 100 мм,
металлические прокатные профили,
железобетонные элементы,
железобетонные плиты или набрызг-бетон.
Когда глубина выемки грунта в сооружаемом котловане ta = 1,25 м,
начинают установку элементов обшивки и ведут ее параллельно с разра-
боткой грунта. При этом высота незакрепленного грунта в зависимости
от прочностных характеристик не должна превышать высоту двух уста-
навливаемых поясов обшивки (0,5 м). Ширина полосы а, на которую
опираются доски обшивки, должна составлять, по крайней мере, а =
= 1,5Л , но по технологическим причинам не должна превышать а ~
~ 1/4(д0 - /), где — ширина полки установленной стойки и t — тол-
щина устанавливаемых досок деревянной обшивки- Доски закрепляют-
ся клиньями таким образом, чтобы плотно прижать их к поверхности
грунта (см. рис. 3.15 и 3.16).
83
Рис. 3.19. Установка стоек шпунтовой
стенки с предварительным изгибом
а - профилирование стенки грунта
лекалом; 6 — установка деревянных
шпунтовых элементов или обшивки; 1 —
несущая стоика; 2 - грунтовая стенка
котлована; 3 — лекала; 4 — обшивка
или шпунт; 5 — клин
Если рядом с сооружаемым котлованом располагаются сооруже-
ния, чувствительные к различным сотрясениям, деформациям и др.,
то всякого рода деформации грунта при сооружении котлованов или
траншей должны быть полностью исключены. В этом случае элементы
обшивки устанавливаются с предварительным напряжением. Для это-
го поверхности стенок грунта между двумя стойками придается выпук-
лая форма, после чего производится установка элементов обшивки
(рис. 3,19). Вместо этого может быть применено местное покрытие
грунта бетоном.
Если вследствие сотрясений, вызванных работой машин,произошло
ослабление грунта, элементы обшивки нарезаются в соответствии с
измеренными на месте расстояниями между установленными стойка’
ми. Если при этом расстояние между стойками увеличивается по мере
увеличения глубины котлована, то элементы обшивки могут проскаль-
зывать вниз. Это может произойти как при установке обшивки, так и
при ее извлечении в рыхлых, подверженных деформациям грунтах.
Проскальзывание элементов обшивки предотвращается набиваемыми
крест накрест досками, которые закрепляются концами за продольные
связи или каким-либо другим способом. Недостатком этой конструк-
ции является то, что при изменении расстояния между смежными стой’
ками, забитыми в грунт, не каждая доска обшивки может быть ус-
тановлена по схеме, принятой на рис. 3.19, т.е. заводкой ее концов
за полки стоек. Возможно также их закрепление к стойкам (см.
рис. 3.16) при помощи дополнительных клиньев и других элементов.
Рис. 3.20. Зажим для крепления обшивки или
шпунта
1 - швеллер; 2 - металлический клин;
J - зажим; 4 - паз в обшивке; 5 - обшивка
или шпунт; 6 — стойка; 7 — зажим в закли-
ненном закрытом положении; 8 - шарнир;
у ~ зажим в открытом состоянии
84
Рис. 3.2k Комбинированная шпунтовая стенка котлована
На рис. 3.20 показана широко применяемая схема крепления обшив-
ки при помощи специального зажима, устанавливаемого с внутренней
стороны стойки и закрепляемого дополнительным клином. После
установки зажима на него навешивается дополнительная швеллерная
накладка, которая крепится металлическим клином, входящим в про-
резь, образуемую при замкнутом положении клина. Швеллерная на-
кладка перекрывается не менее 3/4 ширины элемента обшивки. Дли-
на элемента обшивки при этом принимается примерно в три раза боль-
шей расстояния между стойками и составляет от 4 до 5 м. Таким об-
разом каждый элемент обшивки имеет не менее трех точек опирания.
Стык между элементами обшивки либо перекрывается дополнитель-
ными накладками (если он располагается по середине между двумя
стойками), либо располагается в месте расположения стойки и пере-
крывается ее полками. В первом случае для уменьшения действия
изгибающего момента в обшивке накладка на стыке делается мень-
ших размеров.
Рассматриваемые конструкции элементов обшивки допускают боль-
шие деформации стоек и горизонтальные смещения грунта, что огра-
ничивает возможности их применения для тех случаев, когда рядом с
сооружаемым котлованом располагаются сооружения, не допускаю-
щие каких-либо существенных деформаций грунта. При этом сквозь
образующиеся между элементами обшивки трещины может высыпать-
ся грунт, что приводит к образованию пустот за стенкой и в дальней-
шем к возникновению существенных деформаций грунта и осадок
сооружений или конструкций, находящихся рядом с котлованом.
Крепление стоек к стенке может осуществляться различными спосо-
бами. На рис. 3.21 стойки, к которым крепится обшивка, в верхней
части закреплены к самой стенке, а в нижней — заведены за продольные
связи. Для предотвращения их смешения устраиваются горизонтальные
пояса крепления. Деревянные или металлические распорки располага-
85
S)
Рис. 3.22. Заанкеренная шпунтовая стенка
а — поперечное сечение заанкеренной
стенки; б ~ узел крепления анкера; в -
соединение обвязки с инъекционным ан-
кером; 1 — стойка 140; 2 — обшивка
d ~ 50 мм; 3 - устройство для крепления
анкера; 4 — инъекционный анкер N —
~ 320 кН, I = 15 м; 5 - обвязка из дву-
тавров; б — консоль I 20; 7 — сварной
шов; 8 - два стержня ф 32 мм; 9 - ан-
кер
ются либо между взаимно противоположными стойками, либо раскреп-
ляют продольные пояса. Наклонное положение распорок допускается
лишь в тех случаях, когда необходимо создание в котловане или тран-
шее достаточно большого рабочего пространства, необходимого для вы-
полнения работ в котловане. В случаях применения анкерного крепле-
ния стенок продольные связи должны рассчитываться на возникаю-
щие усилия. Наиболее часто продольные связи выполняются из швел-
леров и уголков. Сильно нагруженные продольные связи выполняются
из двух двутавров, устанавливаемых параллельно. На рис. 3.22 показа-
но поперечное сечение стенки, выполненной из несущих стоек с анкер-
ным закреплением в грунт, и конструктивное решение двухрядной
продольной связи, за которую также крепится анкер.
Бетонирование стенок непосредственно на месте, как это раньше
практиковалось при строительстве метрополитена в Берлине, по эконо-
86
^Нисским соображениям в настоящее время применяется лишь в ис-
ключительных случаях. Для выполнения такого вида крепления не-
обходимо некоторое свободное пространство для размещения обору-
дования между* краем котлована и прилегающей территорией. В лите-
ратуре этот тип крепления носит название „гамбургский способ креп-
ления”-
Элементы крепления стенок остаются в грунте после окончания
строительных работ лишь в тех случаях, когда они не могут быть извле-
чены. При этом они могут служить в дальнейшем в качестве одного из
элементов возводимого сооружения (например, стенки коллектора и
ДР')-
Параллельно с разборкой крепления и извлечения элементов обшив-
ки стенок производится обратная засыпка грунтам его уплотнение.
Особую осторожность надо соблюдать при извлечении продольных
связей, так как при этом может произойти потеря устойчивости стенки
и ее обрушение, что должно быть полностью исключено. Извлечение
стоек может быть начато лишь после полного заполнения котлована
или траншеи грунтом.
3.3.4. Работы по выемке грунта при устройстве стенок из несущих
стоек. До начала работ по забивке несущих стоек и выемке грунта про-
изводится разбивка осей котлована и несущих стенок. При отсутствии
точных данных о расположении находящихся в грунте коммуникаций
необходимо в целях исключения возможности их повреждения при про-
изводстве работ по забивке стоек вручную произвести шурфование до
отметки их возможного залегания. После забивки стоек одновременно
с разработкой грунта производится установка элементов обшивки и про-
дольных связей. Технологический процесс по выполнению этих работ
должен быть организован таким образом, чтобы обеспечить 100%-ю
механизацию работ по выемке грунта. Это условие в каждом конкрет-
ном случае обусловливает выбор необходимого строительного обору-
дования и машин.
Выбор типа крепления стенок с распорками или анкерами взаимо-
связан с выбираемым технологическим процессом по выполнению
дальнейших этапов работ. При креплении стенок распорками на первом
этале работ выемка грунта производится до отметки их установки.
При выполнении работ в рыхлых средней устойчивости грунтах
вдоль стенок вначале оставляют небольшие валики грунта, которые
после установки обшивки убираются средствами малой механизации.
После установки верхнего яруса распорок разработка грунта в широ-
ких котлованах производится грейферами, в узких траншеях — грейфе-
рами с гидравлическим управлением.
При выполнении работ в широких котлованах извлекаемый грунт
при помощи бульдозеров или скреперов разрыхляется и перемещается
с участков, где установлены распорки, в те места, где предусмотрена
выемка грунта из котлована. В этих местах устанавливается более произ-
водительная техника, обеспечивающая подъем грунта на поверхность.
На рис. 3.23 показано перемещение грунта бульдозером с участка, где
установлены распорки, к месту подъема грунта на поверхность. В этих
местах путем усиления продольных связей распорки устанавливаются
реже, что позволяет образовать так называемые окна для извлечения
грунта на поверхность, размеры которых определяются в зависимости
от используемой при этом техники.
87
Рис. 3.23. Перемещение груц. |
та бульдозером к бункеру j
перегрузки
При выполнении работ в котлованах с анкерным креплением сте-
нок механизмы по подъему грунта могут располагаться как внутри,
так и на поверхности у края или одновременно в обоих местах. Для
въезда н выезда самосвалов и других строительных машин в широких
котлованах устраивается пандус. При прокладке траншей транспорт и '
другая техника, используемая при разработке грунта, располагаются <
обычно у ее края. И
При производстве работ по выемке грунта из котлованов с несущи- <
ми стенками возможны многочисленные комбинации использования !
строительной техники. На рис. 3.24,я показана разработка грунта из -й
котлована экскаватором, оборудованным обратной лопатой, и уста- 3;
навливаемым в котловане. Для повышения производительности работ £
в котлован опускается бульдозер, который производит дополнительное
перемещение грунта к продольным стенам. Для проезда транспорта |
сооружается пандус.
На рис. 3.24,6 показан комбинированный способ извлечения грунта |
из котлована. В котловане устанавливается экскаватор, оборудованный^
обратной лопатой, осуществляющий разработку грунта из центральной
части и погрузку его на автотранспорт. Разработка грунта вблизи стенок
выполняется устанавливаемым на поверхности земли грейфером. Оста-1
ющиеся небольшие объемы работ в котловане разрабатываются неболъ- 2
ши ми гусеничными планировщиками. При выемке грунта из небольших
котлованов применяется универсальный грейфер, устанавливаемый ря-
дом с котлованом (см. рис. 3.24,6).
3.3.5. Расчеты стенок с несущими стойками. Для выполнения расче*
тов по определению статической устойчивости стенок из несущих стоек
необходимо задаться расчетной схемой, знать характеристики грунта и '.=1
схему расположения распорок. Система считается статически опреде-
лимой в следующих условиях: й
неподпертые защемленные в грунте стойки;
стойки, незащемленные в грунте, с одной распоркой; 3
стойки с кольцевой заделкой в грунт с двумя распорками. |
Защемленные в грунт неподпертые стойки обычно рассчитываются
по классической схеме давления грунта с использованием монограмм 1
Блюма [42], которые могут быть также использованы при расчете шпун- j
88
Рис. 3.24. Выемка 1рунта из котлована с заанкеренными шпунтовыми стенками
а — ступенчатая фронтальная выемка грунта; б — комбинированная схема вы-
емки грунта фронтальным способом и за несколько проходок; R — максималь-
ная ширина забоя; 3 550 - ширина забоя при повороте экскаватора на 55°;
тахКо — максимальная ширина отвала; ~ ширина отвала при повороте
экскаватора на 55°; 1 — экскаватор, оборудованный обратной лопатой; 2 — само-
свал; 3 - бульдозер; 4 - экскаватор с навешенным грейфером; 5 - направление
сооружения стенки; 6 — направление движения экскаватора; 7 — грунт, смещае-
мый бульдозером
товых стенок (см. разд. 4.3.2), или в случаях неравномерного давления
грунта графическим методом [12,41].
В эту расчетную схему не входят стойки с одной распоркой и не за-
битые в грунт стойки, применение которых имеет место в случаях не-
больших и средних котлованов. Они должны рассчитываться по другой
расчетной схеме. Стойки с двумя распорками с различной схемой задел-
89
Рис. 3,25. Распределение давле-
ния и отпора грунта в случае
свободно стоящей шпунтовой
стенки, заделанной в основание
[150]
ки в грунт, с точки зрения статического расчета, несложны и рассчиты-
ваются по правилам элементарной статики.
Статически неопределимые расчетные системы имеют место в тех
случаях, когда стойки имеют две или больше точек дополнительного
опирания, не заделаны в грунт или в случае одно- или многократного
опирания по длине и заделке концов в грунт, а также в случаях трех-
кратного и более промежуточного опирания по длине не защемленной
по длине стойки.
Эти случаи возможны только при сооружении глубоких котлованов
и рассматриваются в настоящей книге лишь в общем виде.
3.3.5.1. Аналитические и графические расчеты при обычном распре-
делении давления грунта. Активное давление грунта рассчитывается по
приведенным в разд. 1.4.2 формулам, при этом определяется передавае-
мое на стенки давление и его распределение по элементам конструкции.
Для этого в разд. 1.4.3 приведены основные положения теории механики
грунтов. При определении величины давления грунта в связных нескаль-
ных грунтах или при определении давления в многослойных несвязных
грунтах используются уравнения (1.16) и (1.10), позволяющие получить
самые неблагоприятные значения.
Расчетная схема для случая свободно стоящей несущей стенки пред-
ставлена на рис. 3.25. Давление грунта и его отпор вычисляют по фор-
муле
eah ~aeah или ^ph ~a&ph' (3-9)
В соответствии с разд. 1.4.2 этим ограничивается величина давления на
конструкцию.
На отметке подошвы котлована ордината грунтового давления будет
составлять
(с) _ (д) (<7)
eah, s eahy eahf *
(3.10)
90
с этими условиями при пренебрежении величинами сцепления грунта
определяются ординаты давления грунта во всех остальных случаях
для заданной высоты стенки h. Положение точки приложения силы
давления грунта для длинной стенки при принятом значении коэффици-
ента запаса прочности п и пренебрежении пассивным давлением опре-
деляется по выражению р
(*)
u =--------afLS=_____________________________ (3 ,U)
аР? (Kphy / lp~ Kah-f) (Kph't ^р~ % airy}
Для определения точки нулевой нагрузки забитой в грунт стойки су-
ществует зависимость [150]:
uR=uw^~. (3.12)
Вайссенбах для этого случая рекомендует зависимость [157]:
w/? = a~ ’ (3.13)
где b — ширина полки забитого в грунт шпунта; a — осевое расстояние между
смежными шпунтами; и — коэффициент, значение которого изменяется от 1/2
до 1/3.
Вычислить uR можно только приближенно, так как глубина котлова-
на и, в зависимости от этого, давление грунта не могут быть точно опре-
делены заранее. Принимается, что ордината давления s или s
изменяется по линейному закону до точки нулевого давления В& (см.
рис. 3.25) и что ниже точки BQ давлением грунта можно пренебречь.
Величина отпора грунта в пределах высоты стоек может существен-
но меняться. Однако при достаточной заделке шпунта в грунт эти зна-
чения выравниваются и представляется возможным принять величину
отпора грунта как для случая сквозной проходящей через грунт стенки.
Этот переход может быть определен при граничной величине глубины
забивки шпунта в грунт
1 =------------(3.14)
8 2ctg$ptg®72
Здесь величина постоянного значения угла плоскости скольжения
определяется по выражению
tg^ = - д + х/дО+Д2)/(Д+ ™)
при значениях д = tg$' и т = tg5 . Граничное значение глубины забивки
может быть определено по табл. 3.1.
Для графического расчета необходимо определить распределение дав-
ления грунта. Для ординаты давления грунта при условии, что разрез
по сечениям проходит не через отдельные пояса обшивки, а между ни-
ми, будут справедливы следующие зависимости [94, 150]:
91
Таблица 3.1
Расстоя- ние в све- ту между стойками Ь, м Значение глубины заделки f , м, & ' _ _ при угле внутреннего трения Ф\ °
25 30 35
угол трения стенки ст, °
1,00 1,50 2,00 2,50 0 1,43 2,15 2,86 3,58 -Ф73 1,12 1,68 2,24 2,80 -Ф72 . 1,00 1,50 2,00 2,50 1,07 1,60 2,14 2,67 -Ф-/3 0,80 1,20 1,60 2,00 -Ф72 0,70 1,05 1,40 1,75 0 0,83 1,23 1,64 2,05 -Ф'/З 0,59 0,88 1,18 1,47
fo < *gr: eph р^рИу^о + / 2tgr] ’
f0 = fgr: eph,gr = PSKphi!gr f (fl - *) + fc/2l; (3.15)
to‘>tgr~ eph ~ P^phf^-ata ~btgr/2\-
По уравнению (3.15) и рис. 3.25 можно установить, что величина отпо-
ра грунта при условии tQ < изображается параболической эпюрой,
а при действии по всей высоте стенки и условии > t увеличивает-
ся по линейному закону. Тогда с учетом коэффициента запаса прочнос-
ти 17 отпор грунта для отдельных клинообразных элементов сколь-
жения (при 7 _ < t,yi. и а = 3 = 6 =0)
Ephy =-^- = Ato-tl[3(a-b)^-~~t0]. (3.16)
Если же при Го > Г плоскости скольжения будут пересекаться, то при-
ходящийся на один5шпунт отпор грунта будет составлять
ЕрТ = -f- - ~^1а— [3^ - btgr(3ta - tgr} ]. (3.17)
р р
Требуемая глубина заделки шпунта в грунт, максимальное значение
момента, действующего на одну стойку несущей стенки при отсутствии
дополнительных точек их опирания, и усилие, воспринимаемое рас-
поркой, могут быть определены графически по [12, 41] или аналити-
чески по Блюму [11]. Для графического решения задачи давление грун-
та и его отпор определяются по уравнениям для отдельно стоящих сто-
ек, при этом сохраняется линейное изменение момента, действующего
на стойку. Определим граничное значение глубины t точки нулевого
значения момента по (3.14) и табл. 3.1 и отпор грунта. Пример графи-
ческого расчета несущей стойки стенки котлована приведен на рис. 3.26.
Если в расчет не вводится коэффициент запаса прочности т? , величина
92
Рис. 3.26. Графическое определение сил. действующих ла отдельно стоящую сваю
шпунтовой подпорной стенки
необходимого заглубления стойки в грунт может быть определена по
зависимости
rR UR + erf' (3.18)
При определении давления грунта на стойку с одной распоркой вели-
чина силы сопротивления должна быть повышена на 40%, а величина
действующего в пролете момента уменьшена на 1/3 [12].
Был выполнен аналитический расчет с забитыми в грунт несущими
стойками при наличии одной распорки на высоте ha = (0,2—0,3) h. Ха-
рактеристики грунта следующие: Ф' - 25-30°, 5 = 1/2Ф'. При дополни-
тельной транспортной нагрузке 3,0 кН/м2, расстоянии между осями
смежных шпунтовых стоек а < 1,6 м и глубине котлована h < 5 м расчет
показал, что погружение шпунта на глубину 1,5 м от основания котло-
вана является достаточным. Эти значения могут быть также определены
по приведенной на рис. 3.27 номограмме. Точка приложения равнодей-
ствующей сопротивления грунта расположена на глубине 0,9 м от осно-
вания котлована. Для рассматриваемого случая при условиях однород-
ности грунта и отсутствия грунтовых вод может быть принята приведен-
ная на рис. 3.28 расчетная схема нагрузок, по которой легко определить
усилие В.
Используя уравнение моментов, может быть определено усилие А
в верхней распорке. При этом необходимо учесть, что нагрузки переда-
ются на всем расстоянии между двумя смежными стойками.
А
.Ле)
+ 0,90 м ’
— давление грунта с учетом расстояния между двумя стойками, кН.
93
ГПУ Б ИН^ЗАБИВКИ ОПОРЫ Ir. w РАССТОЯНИЕ МЕЖДУ ОПОРАМИ а, м
Рис. 3.27. Номограмма для определения параметров опоры и
шпунтовой стенки [105]
Рис. 3.28. Расчетная схема стенки, забитой в грунт
на глубину 15 м с одной дополнительной опорой
94
Пример. Дчя случая, изображенного на рис. 3.26, и приведенных выше размеров
необходимо рассчитать стенку, заглубленную в грунт ниже отметки дна котлована
(см. рис. 3.26).
Характеристики грунта следующие: песок р = 1,765 т/м , р g = 17,65 кН/м3,
Ф' = 30 ; с' - 0; 5 = 2/ЗФ' = 20 . Дополнительная нагрузка от транспорта по краю
котлована р —10 кН/м2,
Решение. Значения давления и отпора грунта:
для Ф' - 30° и 6с =20° А'(?/17 = 0,279 (по табл. 1.7) ;
для Ф' = 30° и 5р = -10° =4,081 [69].
Для й = 4 м, я = 0,20Ф' и = 30° получим (см. рис. 3,27) : толщина обшивки d ~
- 60 мм, глубина lR — 1,05 м, расстояние между стойками а ~ 1,8 м.
Активное давление грунта по (3,10) :
(о)
eah s = 75 17,65-4,00-0,279+1,75 10-0,279 =39,35 кН/м.
Точка нагружения стойки по (3.11) - (3.13) для = 1:
, = 39,35
и.; ———— —------------0,335 м;
1 1,75-17,65 (4,081-0,279)
Uf} -0,335—-^—*^---0,096 м или
К 1,75
иг, =0,335 (-9^5) 1/2 =0,127 м.
А 1,75
Граничная глубина по (3.14) и табл. 3.1 для случая 5 = -Ф'/З t =1,20 м.
Отпор грунта по (3,15): ?
/ь=0,40м; =17,65-4,081'0,40 [(1,75-1,50)+-А_.о,4О] =14,41 кН/м;
2*1,20
(й)
го =0,80 м; =43,22 кН/м;
И. (й)
= 1,20 м: eph = 86,44 кН/м;
„ (с)
Го = 1,37 м; epk = 107,86 кН/м;
Го = tR - =1,50-0,13 = 1,37 м.
Сопротивление грунта по (3.17):
t W = .17,65 4,081 [3 1,75 1,37- 1,50-1,S0 1,20(3 1,37-1,20)] =55,41 кН.
Давление грунта и силы его сопротивления приводятся ниже:
Ордината, м Л/?, м <д) eah‘ кИ/м L (о) eph- кн/“ о Ьа& кН (в) кН
0 4,88
-1,00 1,00 13.50 9,19 0,57
-2,00 1,00 22,12 17,81 0,54
-3,00 1,00 30,73 26,43 0,53
-4,00 1,00 39,35 35,04 0,52
-4,13 0,13 0 2,56 0,04
95
Ордината, м Дй, м (а) е ah •кн/м <«) ерА,кН/м (л) Е > , кН ah ’ (л) Е Д кН у5,м
-4,53 0,40 0 2,88 0,27
-4,93 0,40 14,41 11,53 0,23
-5,33 0,40 43,22 25,93 0,22
—5,50 0,17 86,44 16,52 0,09
107,86
5,50 91,03 56,86
(д) (д)_
Полученная разница в значениях Е — 55,41 кН по (3.17) и Ер^ —56,86 кН по
данным таблицы объясняется различием между параболической формой эпюры
давления по теоретическому методу расчета и трапецеидальной формой эпюры в
настоящем расчете. Далее расчет выполняется графически (см. рис. 3.26) или ана-
литически по методу Блюма.
Для принимаемых значений Л = 52 кН и В = 39 кН. Увеличив .4 на 40%, поду-
чим Л' = 52-1,4 = 72,8 кН. Значения по (3.18) и рис. 3.26:
jD = 0,13+1,2-1,15 =1,51 м.
/ при ^“1,50 и максимальном значении В —
Коэффициент запаса прочности 7?
= 39,0 кН. г
= 56;86_1 4б
Т 39,00
Таким образом, глубина забивки шпунта — 1,55 м. Изгибающий момент
МР =40,0-1,40 = 56 кН-м.
х1 iJldX
Момент в середине пролета между двумя смежными стойками может быть умень-
шен в этом случае на 1/3:
m'f =56-0,67 = 37,5 кН-м.
3.3.5.2. Аналитические расчеты при прямоугольной эпюре грунтового
давления. Активное давление грунта принимается как равномерно рас-
пределенная нагрузка, величина которой в соответствии с (1.29) равна:
eah + eahy 1
^ah = ah {OApghKahy ♦ рК^). (3.19)
Для случая статически определимой системы с одной распоркой и сво-
бодной заделкой в основании отпор грунта по [42]:
^ph ~ f3 + . (3.20)
Отпор грунта Wr и cdr может быть определен по табл. 3.2,с.
Для переноса методики расчета шпунтовых стенок на стенки с от-
дельными шпунтами, пространство между которыми заполняется гори-
зонтальными досками, необходимо пересчитать отпор отдельного шпун-
та (шпунтовой стенки) на величину отпора фиктивной сплошной шпун-
товой стенки. Для этого по [42] необходимы следующие данные:
96
Таблица 3.2
а) значения и 6^
Vi* Угол внутреннего трения Ф, °
15 “r^K 20 25 °k ^R 30 ^R 35 WR^K 40
0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 б) значен 0,4 0 0,98 0,59 1,20 0,90 1.51 1.44 1,94 2,08 2,4 1 3,16 3,10 0,57 1,39 0,83 1,69 1,28 2,14 2,04 2,75 2,96 3,41 4,47 4,38 0,69 1,70 1,02 2,07 1,56 2,62 2,50 3,37 3,63 4,18 5,48 5,36 0,80 1,97 1,17 2,40 1,80 3,03 2,88 3,89 4,19 4,83 6,32 6,19 0,90 2,20 1,31 2,68 2,02 3,30 3,22 4,35 4,68 5,40 7,07 6,93 0,98 2,41 1,44 2,93 2,21 3,71 3,53 4,76 5,13 5,91 7,75 7,59 ия Kphy
Угол внутрен- него трения стежки Угол внутреннего трения грунта Ф', 0
15 20 25 30 35 40
+0 1,70 2,04 2,46 3,00 3,69 4,60 -5 1,87 2,28 2,79 3,45 4,31 5,48 -10 2,01 2,48 3,08 3,87 4,91 6,36 -15 - 2,67 3,35 4,27 5,50 7,24 -20 - - 3,62 4,66 6,10 8,15 -25 - - 5,11 6,72 9,12 -27,5 _ _ _ 5,46 7,12 9,64
м е ч а н и е. Л — ширина полки шпунта; t — глубина забивки шпунта в
При
грунт ниже отметки котлована
а) несущие шпунтовые стойки без пересчета величины отпора грунта
“р/г = 2£рл I ^)-
rue kPh
определяется по (3.20). Для с' = 0
^ph ^7? / а>
б) несущая шпунтовая стенка без пересчета отпора грунта
Л а—
^ph~~a + ~а~^Кр!гу(Ь=О') +
4с' }__.. .
+ ——~х/К
pgat v i*0)
(3.21)
(3.22)
(3.23)
В грунтах, для которых можно пренебречь силами сцепления 8 =
= 0, значение ш - К . Минимальные значения отпора грунта К „^7
определяются по табл. 3.2,6, причем угол трения стенки 6 между несу-
7-749
97
Рис. 3.29. Прямоугольная эпюра давления грунта На
стенку, забитую в грунт с одной дополнительной
опорой
щими стойками и грунтом по [42] может быть принят равным: при
Ф'> 30° 6 =-27,5°; при Ф’ < 30° 8 = - (Ф' - 2,5°).
Для определения максимально возможного значения отпора грунта
на длинную подпорную стенку может быть использовано выражение
Eph^\i2pg^pht\ (3.24)
в котором используется минимальное значение Поэтому дальше
необходимо проверить, пересекутся ли значения отпора грунта. Значе-
ние отпора грунта в этом случае определяется по (3.20), (3.22) и (3.23). .
При больших расстояниях между стойками и забивке их в несвязных
грунтах линии отпора грунта пересекаются лишь в исключительных
случаях. Равнодействующая отпора, воспринимаемая одной стойкой,
определяется по приведенной на рис. 3.29 расчетной схеме из следующе-
го выражения:
ЪМА =0; В = Е$ (h/2-h^l(hs + 0j6t).
Нагрузка В, приходящаяся на отдельную стойку, должна быть меньше
величины, определяемой по заданному значению коэффициента надеж-
ности т? , т.е.
Т
ph ~ "ph / ^р, vom ~^ph ^^^р, erf'
Так как при этом величина отпора В или зависят от глубины
забивки шпунта в грунт f, необходимо исследовать различные значения ;
Г до тех пор, пока не будет получено требуемое значение коэффициента •
надежности. Рекомендуемое значение п составляет 2,0, так как при
расчетах не учитываются возможные протибы и скручивания отдельных '
шпунтовых элементов в процессе их забивки в грунт.
Для статического расчета элементов шпунтовых несущих стенок,
имеющих лишь одну продольную связь, нагрузки от давления грунта :
(3.25) -
(3.26) :
98
принимаются по [208]. Для величин А вводятся следующие дополни-
тельные поправки, зависящие от геометрических параметров стенки:
A' = Ah/hs<E^ ; M‘F = MFhslh. (3.27), (3.28)
Более подробно этот расчет приведен в [42, 158, 159 и 208].
Пример. Приведенный в разделе 3.3.5.1 пример необходимо пересчитать в со-
ответствии с принимаемой по рис. 3.29 эпюре прямоугольного давления.
Решение. Величина давления грунта по (3.19) :
(с)
=1,75 -4,0 (0,6-17,65*4,0-0,279+10,0-0,2 79) =102,26 кН,
Отпор грунта на каждую шпунтовую стойку по (3.20) при t - 1,5 м:
= bJl = 0,25/1,50 ~0,167; Ог> =2,63;
и и ГС
(а) ,
= 1/2-17,65-2,63-1,503 =78,33 кН.
В этом случае нагрузка В по (3.25) составит
В = 102,26 (2,0-0,80) / (3,20+0,6* 1,5 0) = 29,9 3 кН.
Коэффициент надежности по (3.26) :
= 78.33/29,93= 2,62 > X
Усилие А в распорке: А = 102,26 — 29,93 = 72,33 кН.
Точка нулевой нагрузки будет отстоять от поверхности грунта на расстоянии
hq - 72,33-4,0/102,26 = 2,83 м.
Величина изгибающего момента на стойку составит
= 72,33 -2,03 - (102,26/4,0) • (2,832/2) = 44,46 кН-м.
Расчетные значения нагрузки на элементы стенки с учетом необходимых попра-
вок по (3.27) и (3.28) будут равны:
А' = 72,33-4,0/3,20 =90,41 кН.
M’F = 44,46-3,20/4,0 = 35,57 кН-м.
Глубина забивки шпунта в грунт составит Г = 1,50 м.
Условный отпор на фиктивную стенку по (3.21) — (3.23) :
2-78,33
w =-----------л-------= 2,25;
Р 17,65-1,75-1,5 О2
^=2,63-1,50/1,75 =2,25;
qj , = ——- 5 46 + —_ > 3 0 = 3 35
Ph 1,75 ’ 1,75 ’ ’
Отпор грунта для фиктивной стенки по (3.24) ;
Hph = 1/2-17,65-2,25-1,5О2 =44,68 кЦ/м;
bph "cFph ^75*44,68 =78,19 кН.
99
3
3.3.5.3. Номограммы расчета при обычном распределении давления^
грунта. При Ъ < = 0,30f для приближенного определения отпораi
грунта по [128] рекомендуется следующая зависимость: |
Е$ = 1 !2pgKphyt Vtb0 (лДда-1, lOtg*'). (3.29) ]
Если в эту зависимость ввести значение i
г = l/2pgXpA7v^(0,55+l,lOtg®'). (3-30) 1
то получим '
.Е^=гг1\ (з.з1)-
В этом случае давление грунта (отпора) может быть определено по •
зависимости
=5/2гг’/\ (3.32) ;
при этом ордината точки наибольшего давления 1
Л$, = 5/7г. (333)5
При b > 0,30f может быть использована зависимость
Е$ = l/2pgKphyt2 [t0 + (0,60tg*')fJ (3.34) s
или соответственно
eph =₽^[fcor + (O,O9tg$')r5].
Получаемые эпюры отпора грунта для различных случаев при различ- ?
ной глубине приведены на рис. 3.30.
В работе [128] рекомендуется для случаев защемленных нижним /-
концом стенок при 2/71 и свободно уложенных в грунт стоек при t = ?
= 0,4 величину отпора грунта определять отдельно. Кроме того, в этой ;
работе отмечается, что высотное положение точки приложения нагруз-
ки на стенку оказывает лишь сравнительно небольшое влияние на вели- '
чину необходимой глубины заделки стенки в грунт и величину дейст-
вующего изгибающего момента.
Запас устойчивости против обрушения стенки определяется при
значении коэффициента 17 = 2,0 для стенок из отдельных несущих сто- ;
ек и горизонтально заведенных обшивок и при п = 1,5 для шпунтовых ?
стенок, тогда
Ephy Kph^ ** r^P'Eph Eph ! r'tS}2
или
Eph ~ Eph / ^р~ r {S 12 ! а-
(335) ;
100
Рис. 3 30. Эпюра отпора 1рунта
а — большая несущая способность: £q < 0t3r;
б - малая несущая способность: > 0,3t; в - про-
ницаемая стенка; г - схема нагружения по [757]
Расчет ведется для случая сквозной стенки, как если t > причем
приближенное значение критической глубины при обычных значениях
глубины заделки шпунта в грунт может быть определено по зависимости
t ** 2 (а — Ъ ).
1кр v о ’
Идеальное значение отпора грунта при закрепленном положении
стенки можно определить по приведенным выше уравнениям (3.21) —
(3.23) или по табл. 3.3 [128]. Ниже для значений t < / и bQ < 0,3г
будут приведены формулы в удобной для практических расчетов форме.
Для определения необходимой глубины заделки при сооружении
неподпертой шпунтовой стенки котлована в конструкции в соответ-
Несущие стенки с заполнением Для Ъ ' < О,ЗГ и Г <Г : м /(0) = г'г^. ph г 1 ’ г' = -P-fSL \ФГ(0,55+1,1 Otg$') 2 ”pl 0 'кр^2^-V = %=2’0- Для >0,3г и f>rw_: ' 1 г а-Ь^ 0 ° к ^h=mPgKrhe, Таблица 3.3 | Шпунтовые стенки и = s . Eph~r ; rt = lf2K'rfipg‘ ^rh ~ Eph у / Eah y’ 7?P2 = 1,5‘ рй(5р-0)1’
и — 0. см- в табл. 3.2,
101
Продолжение табл. 3.3"$
Неподпертая стенка
Подпертая стенка
j
0,6г'
П =---
2/Зг'
п=_£йЛ£
1/Зг'
при x() -
=(E<?M)2'5
v ah f '
пнпЛ/ =
~Eah
+5/7х0>;
I /2
Прих0=(£(й/г')
mjnAf=—(g +
'о+'я'о-л=о-
SI1-mt-
— n=0.
Ъ=“+1-2'о;
(д ~~ l,2f;
3 0 ’
*R f;
'о =0-
ствии с рис. 3.31 можно записать следующие уравнения для определе-
ния действующего момента:
шс = 0: Ер(^ 2/7Z = (/ + g ). (3.36)
Используя уравнения (3.30) и (3.31)^ получим, что если г' = r/rjpi
nr-t”1 int^l + E^g.
npwz=f1/2; m = 3,5QE^/г'-, n=mg:
27 -mz2 - n =0. (3.37)
Номограмма для этого полинома приведена на рис. 3.32. Максималь-
ный момент действует в точке, где поперечная сила равна нулю, и тогда
102
Рис. 3.31. Соотношение нагрузок для различных вариантов крепления стенок
котлованов
а - свободно стоящая стенка; б — стенка с одной дополнительной опо-
рой; в — стенка, заделанная в основание с одной дополнительной опорой;
WP - отметка подошвы котлована; М ~ изгибающий момент; Q - попереч-
ная сила
при точка с нулевым значением поперечной
силы находится ниже отметки основания котлована на глубине
*<, = (*$/И’'’- (3.38)
Действующий на этой глубине момент будет равен
minM = (g + 5/7х0). (3.39)
Глубина заделки шпунта в грунт в этом случае будет составлять
Гд = 1,2г. (3.40)
Для вычисления необходимого заглубления стенки с одной распоркой
из отдельных несущих стоек и горизонтального заполнения применяют
следующие уравнения для определения величины действующих момен-
тов (см. рис. 3.31):
SAL =0;
E^f = Eph (\ + 0^г) = r'fs^2 (й$ + 0,6Г); (3.41)
It /7^ f
tTlT + s fs/2 _ 2ah J Q
0,6 0,6г '
103
Рис. 3.32, Номограмма для определения глубины погружения опор [128] 3
а — свободно стоящая стенка; б — свободно стоящая стенка с одной опорой; '
1 — шпунтовая стенка; ---- — шпунтовая стенка с горизонтальным заполни
нием между сваями; — — - — шпунтовая стенка
I
С учетом того, что j
1/2 ГЧ 471 'i
2= t1'2; m = ; п =—™, (3.42) Л
0,6 0,6г' '<
получим
z7 + mz5 - п = 0. (3.43) J
Номограмму для этого полинома см. на рис. 3.32. 1
104
Усилие А может быть определено из ЪН - 0:
л nah
— r'ts^
(3.44)
Прочие значения действующих поперечных сил определяются по
уравнениям простейшей статики для случая балки на двух опорах.
Пример. Приведенный в разделе 3.3.5.1 случай необходимо рассчитать по при-
веденным в номограмме 3,3 данным в предположении прямоугольной формы дей-
ствующего давления грунта.
Решение, Величина давления грунта по зависимости (3.19) составит:
(д)
Е / =102,26 кН.
ph
Значение г по уравнению (3,30) для значения Ф' = 30° определяется следующим
образом: 6^ = —27,5° и А'^^ = 5,46 (см. табл. 3.2,6) :
г= 1/2 17,65-5,46>Д25 (0,55+1,10tg30°) = 28,55 кНм-5/2;
/=-2А55 = 14,28 кН-м-5/2
2,0
Глубина заделки шпунта по номограмме (см. рис. 3.32) при использовании зна-
чений, полученных по (3.42), составит
__ 3,20 „ с qn
rti = —---=5,33 м;
0,6
п = J2;L’2€LL-?CL = 14.32 м7/г;
0,614,28
f = 1,40 м.
Глубина заделки шпунта по табл. 3.3:
tD —I - 1,40 м.
Отпор грунта для стенки с горизонтальным заполнением по (3.35) будет равен
Е^ =r'tsf2 = 14,28-1,40s/2 =33,13 кН.
Величина нагрузки в точке подпирания стенки распоркой по уравнению (3.44)
определится как
А = 102,26-33,13 =69,13 кН.
Точка нулевого значения поперечной силы может быть получена следующим об
разом:
А -
h
69,13-4,0
Л =0; Л =---------—-------= 2,70 м.
Q Я 102,26
Максимальное значение изгибающего момента в середине пролета между двумя
смежными стойками будет равно
М? = 69,13-1,90 - =38,16 кН-м.
С учетом корректирующих моментов в соответствии с данными разд. 3.3,5.2 зна-
чения действующих сил составят:
величина нагрузки А' ~Ah / =69,13-4,0/3,20 =86,41 кН;
105
момент, действующий на элемент горизонтального заполнения между Двумя 1
стойками
Мр = МphJh ~ 38,16-3,20/4,0 = 30,53 кН-м. |
3.3.5.4. Равновесие горизонтальных и вертикальных сил. Дня стенок а
котлованов с горизонтальным межшпунтовым заполнением применимы -4
уравнения равновесия сумм горизонтальных и вертикальных сил ЕЯ = *
= 0 и S V = 0. Активное давление грунта обычно определяется лишь до
отметки дна сооружаемого котлована. Давление грунта ниже отметки i
дна котлована имеет следующее значение: *
^ah Ц/Л, s + (3.45)
где g - координата давления грунта на отметке дна котлована,
В том же направлении, что и действует нагрузка на заделанный J
в грунт конец стоек. Эта нагрузка В, отнесенная к величине нагрузки на :t
всю длину сооружаемой стенки, пересчитывается на единицу ее длины и |
противостоит возможному значению отпора Поэтому, принимая J
значение коэффициента запаса прочности = 1,5^ можем записать:
ч =—^pJt--------15. (3.46) |
Н *Eah+B/“ 1
1
Величина возможного отпора грунта в этом случае может быть опреде-
лена при значении 6^ = — Ф', когда t > 0,25ft и расположено примерно на |
середине приложенной нагрузки в случае связных грунтов,
Устойчивость конструкции стенок от действия приложенных верти- i
кальных сил определяется выражением: J
>1,3, (3,47)
(а)
где Eg — предельная возможная несущая способность стойки стенки, кН; Fav —
вертикальная составляющая давления грунта, кН; — собственная нагрузка
от стенки, кН; F& — полезная нагрузка на стенку, кН.
Предельная несущая способность стойки
Fg + (3.48)
где — поперечное сечение стоек на отметке дна котлована, м ; qs — допустимое
значение напряжения в месте контакта qs - 600+120-?л, кН/м3; 1ГГ — пример попе-
речного сечения стенки, м; tn — глубина заделки стенки tn = t — 0,5 м; qr — сила
трения материала стенки по грунту (50—60) кН/м2.
При применении нормальных конструкций стенок сопротивление
грунта стойкам не учитывается. Дополнительные элементы расчета
приведены в работах [42, 159].
Пример. Для примера, данного в разд. 3.3.5.1, необходимо определить сумму
действующих вертикальных и горизонтальных сил.
Решение. Проверка равенства суммы горизонтальных сил ЕЯ = 0 по (3.45) и
(3.46) приводит к следующему:
/Я
106
€ah s= 1 ^5-400,279+10,0-0,279 = 22,49 кН/м2;
&E h - (22,49+1 /217,65-0,279-1,50) 1,50 =39,27 кН/м;
Epk прибр=-Ф' и лрЛ<5’632:
£^ = 1/2-17,65-5,632 l,502 =111,83 кН/м.
При значении В — 29,93 кН в соответствии с примером, данным в разд. 3.3.5.2,
ипо (3.46) имеем
= 111.83/(39,27+29,93/1.75) =1,98 >1,5.
Проверка равенства суммы 2Г = 0 по (3.47) и (3.48) дает следующие резуль-
таты:
F - Urtn4r = 1.46 (1,50-0.50) 50 = 73 кН;
~Eah = 102’26 tg20° = 37’22 кН <для * = 1>75 м);
(д)
Г*, =10,0 кН (для а - 1,75 м) ;
Tjv =73/(37.22+10) =1,55 >1,3.
5.5,5.5. Основные положения расчета статически неопределимых
систем. Статически неопределимые стенки с горизонтальным заполнени-
ем между отдельными стойками при наличии двух или более подпорок
и защемленные в грунте рассчитываются при условии, что отпор грунта
рассматривается как внешняя действующая на них нагрузка. При этом
учитывается глубина заделки стоек в грунт. Действующая на стойку
нагрузка В определяется для наиболее глубокой заделки стойки в со-
ответствии с зависимостью (3.20) и рис. 3.33:
В = - Ms)l(h's + 0,60г), (3.49)
где h — расстояние между основанием котлована и нижним концом наиболее
глубоко погруженной стойки; М$ — максимальное значение действующего момен-
та на эту же стойку с максимальным погружением в грунт.
Расчет необходимого погружения стойки в грунт ниже дна котлована
для стойки, имеющей одну дополнительную точку опоры приводится
в [128]. Поэтому этот случай здесь не рассматривается.
Рис. 3.33. Расчетная схема определения глубины
забивки шпунта для стенки с многочисленными
дополнительными опорами
107
В заключение необходимо отметить, что при расчете стенок с гори-
зонтальными заполняющими элементами и отдельными несущими
стойками не учитывается ряд факторов. К ним относятся изменения
нагрузок, возникающие при изгибе забиваемых стоек, изменения усло-
вий и величин их нагружения в процессе производства строительных
работ. Это приводит, естественно, к различным отклонениям результа-
тов расчетов от фактических условий и нагрузок, действующих на
стойки.
Расчеты конструкций крепления глубоких котлованов в сложных
инженерно-геологических условиях более подробно рассмотрены в ра-
ботах [12, 41,42, 128, 158, 159 и 208].
3.4. КОМБИНИРОВАННЫЕ КОНСТРУКЦИИ СТЕНОК
Вертикальные конструкции, равно как и многочисленные варианты
конструкций с горизонтальными элементами обшивки, могут приме-
няться в различных комбинациях в зависимости от факторов, учитываю-
щих местные условия их сооружения. В качестве иллюстрации ниже
приводятся два возможных случая таких конструкций.
Крепление стенок сооружаемого в сложных условиях глубокого
котлована глубиной 10,0 м описывается в Г108]. Котлован сооружался
в крепких мергелях сФ' = 37°, с1 = 50 кН/ьг и pf} = 2,2 т/м3. Устройство
котлована с наклонными стенками представлялось невозможным из-за
близости рядом расположенного фундамента. Поэтому было предложено
соорудить вертикальную стенку, не защемленную в грунте и не имею-
щую дополнительных опор при глубине сооружаемого котлована h
~ 18 м. Однако по условиям защиты работающих и обеспечению необ-
ходимой безопасности при производстве работ это решение не было при-
нято. И действительно, в ходе выполнения работ по выемке грунта из
котлована наблюдались случаи вывала грунта из стенок, что объяснялось
наличием пересекающихся трещин.
Крепление стенок котлована было осуществлено в виде представлен-
ной на рис. 3.34 конструкции, состоящей из уложенных по периметру
котлована железобетонных балок, которые должны были закрепить
верхнюю часть котлована и исключить возможность его обрушения.
Дальнейшее крепление выполнялось в виде стальных распорок, выпол-
ненных из прокатного профиля (профиль Ларсена). Отдельные распорки
при этом подвешивались к дополнительному профилю, расположенному
поперек котлована.
Средняя часть стенок котлована закреплялась отдельными вертикаль-
ными стойками, пространство между которыми заполнялось горизон-
тальными элементами деревянной обшивки. В качестве продольных про-
филей жесткости служили три металлические балки, между которыми
и горизонтальными деревянными элементами обшивки вбивались спе-
циальные клинья. В нижней части стенки элементы обшивки распирались
горизонтально устанавливавшимися балками.
Выемка грунта из котлована производилась универсальным грей-
фером, к месту опускания ковша которого грунт перемещался гусе-
ничным бульдозером. Местные выходы грунтовых вод, плывуны и вы-
валы грунта из стенок осложняли процесс производства работ по уст-
ройству этого котлована.
108
Рис. 3.34* Поперечное сечение частично обжатого
котлована с комбинированной облицовкой и рас-
пределительными балками [108]
1 — защищаемый фундамент ограждения;
2 — контур сооружаемого фундамента; 3 — бал-
ка для подвески; 4 - распределительная балка;
5 - верхняя распорная балка; 6 ~ профиль Ларсе-
на; 7 - подвеска; 8 — средняя распорная балка;
р - обшивка стенок котлована; 10 — подвеска;
И — нижняя распорная балка; 12 — дно котлова-
на после укладки фундаментной плиты
Рис. 3.35. Комбинированная конст-
рукция шпунтовой стенки
1 — деревянный шпунт; 2 —
клинья; 3 — стойки; 4 — прокатный
профиль; 5 — стойки; 6 — подклад-
ки; 7 — дно котлована
Другая конструкция крепления стенок котлована приведена на рис.
3.35. В этом случае стенка крепится забитыми в грунт вертикальными
стойками, выполненными из швеллеров, между которыми устанавли-
ваются горизонтальные балки жесткости и элементы горизонтальной
деревянной обшивки. Эта конструкция имеет то преимущество, что при
установке элементов обшивки объем вынимаемого грунта минимален.
Это исключает возможность их вывалов и при этом происходят мини-
мальные горизонтальные перемещения грунта.
3.5. СПЕЦИАЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ КРЕПЛЕНИЯ ТРАНШЕЙ
Дальнейшее развитие конструктивных решений по закреплению сте-
нок траншей и котлованов обусловлено применением новых частично
или полностью механизированных способов разработки грунта. При
механизированной выемке грунта сразу до отметки дна котлована или
траншеи необходимо учитывать, что предельно допустимая глубина
незакрепленных вертикальных стенок не должна превышать 1,25 м.
Поэтому новые решения крепления стенок учитывают необходимость
немедленного закрепления грунта с максимальной их механизацией.
109
В соответствии с этим имеющиеся многочисленные конструктивные .=•?
решения могут быть сгруппированы следующим образом: J
применение конструкции крепления наклонных стенок из готовых ;
участков, которые устанавливаются в собранном виде и после заверите’
ния работ извлекаются для повторного использования;
применение малогабаритных плоских элементов, соединяемых между
собой уже после установки в траншее, причем при необходимости выпол- •;
нения более глубоких выемок разработка грунта производится сразу
на полный профиль сооружаемой траншеи;
применение Гюль ше раз мерных плоских элементов, сборка которых
осуществляется до опускания в траншею;
механизированная установка крепления стенок траншеи, при которой
получается заглаженная поверхность стенок, выполненная из бетона или
другого материала.
Следует отметить, что из большого числа предлагаемых новых кон-
структивных решений по закреплению стенок траншей в практике по-
ка находят применение лишь некоторые из них.
3.5.1. Применение облицовочных панелей, изготавливаемых из листо-
вого металла. В соответствии с требованиями по конструированию но-
вых типов крепления откосов и стенок котлованов Кордесом, в Лейп-
цигском комбинате по сооружению котлованов и транспорту [21, 22]
запатентована новая конструкция, получившая название "конструкция
по защите котлованов VTK Лейпциг”.
Конструкция по креплению стенок котлованов представляет собой
окантованные металлические плиты с внешними размерами 800x800 мм.
На рис. 3.36 изображено конструктивное выполнение таких элементов.
Масса каждого элемента составляет 23 кг, соединение их между собой
производится коническими болтами с гайками.
Распорки изготавливаются из двух труб с резьбовыми соединениями,
позволяющими вывинчивать или ввинчивать их одна в другую. Облицо-
вочные плиты прижимаются к поверхности грунта, после чего между
двумя противоположными плитами устанавливается распорка, которая
после ее вывинчивания до упора обеспечивает закрепление плит на месте.
После закрепления плиты специальными элементами жесткости часть
установленных распорок может быть снята.
Рис. 3.36. Конструкция облицовочных плит не-
больших размеров системы облицовки траншей
”У7К Лейпциг” [22]
1 - отверстия для сболчивания секций обли-
цовки; 2 ~ болты; 3 — окантовка секций
ПО
Рис. 3.37. Общий вид смонтированной облицовки системы
"VTK Лейпциг” [22]
1 — стальная секция плиты; 2 — плоское ребро жест-
кости; 3 — поперечная распорка; 4 — приваренные стерж-
ни; 5 — шпильки; 6 — болты; 7 — место присоединения
поперечной распорки
В горизонтальном направлении плиты объединяются в полосы, обла-
дающие необходимой прочностью и жесткостью, что позволяет исклю-
чить необходимость раскрепления каждой отдельной плиты. На рис.
3.37 показана стенка описываемого типа. Расстояние по горизонтали
между смежными распорками составляет 2,4 или 3,2 м. Эта конструкция
крепления стенок рекомендуется для применения в случаях устройства
траншей глубиной до 5 м при ширине от 1,6 до 3,3 м, что определяется
жесткостями устанавливаемых распорок, их массой и технологично-
стью процесса установки всех элементов.
На рис. 3.38 показан поперечный разрез по траншее с подобным креп-
лением стенок. По рекомендациям [82] следует, что высота нижней час-
ти траншеи, на которой не устанавливаются распорки, не должна пре-
вышать 0,8 м. В этом случае ниже торцевой части нижнего яруса плит
устраивается откос, незащищенный облицовкой. Подробные данные о
допустимом значении угла наклона откоса и ширине дна траншеи приво-
дятся в табл. 3.4.
Условием применения этого типа крепления стенок является то, что
грунт, в котором прокладывается траншея, должен обладать способ-
ностью сохранять свою устойчивость при сооружении незакрепленного
вертикального откоса высотой не менее 0,85 м. Установка плит при
этом производится горизонтальными полосами.
ill
Таблица 3.4 ?|
Характеристика грунта Допустимый угол наклона откоса /3, ° — 4* Ширина бер- > мы Ь, мм .7
Песок 45 200 S /^>0,33; и/>3% ...е Слабосвязный рыхлый грунт Ч с'<5кН/м^ 45 100 5 кН/м1 60 100 , Связный грунт 0,5 </с< 0,75 45 100 0,75 1,00 60 100 1с > 1,00 80 100
Крепление стенок плитами VTK осуществляется в несколько этапов. .7
Вначале производят выемку грунта на глубину от 0,7 до 1,5 м. После 2
этого устанавливается одна или две полосы плит на 100 мм выше отмет- |
ки строительной площадки. Все последующие слои грунта высотой J
по 0,8 м выбираются гидравлическими грейферами между уже установ*
ленными распорками. Грунт, который не может быть извлечен грейфе- 3
ром, загружается в ковш вручную. Перед установкой и после извлече- 3
ния элементов облицовки вручную производится зачистка поверхности Д
стенок грунта для наиболее плотного прилегания к ней плит. Готовый
участок крепления траншеи этим способом изображен на рис. 3.39. |
Более подробные данные по установке плит, их несущей способности,
областям применения приводятся в работе [82]. j
Допустимая нагрузка на поверхность плит не ограничивается, если:|
расстояние между полосами продольной жесткости 2,4 м, глубина тран-1
шеи не более 5 м, нагрузка от транспорта во время производства работ ।
не превышает 10 кН/м1 и не предусматривается какая-либо дополнитель-
ная нагрузка по краям траншеи за счет устанавливаемого строительного.^
оборудования. Образующиеся между поверхностью грунта и обшивкой |
пустоты должны заполняться грунтом. J
Рис. 3.38. Типовое поперечное сечение сис-|
темы облицовки траншей „ВТК Лейпциг”!
112
Рис. 3*39. Общий вид системы облицовки траншей ” VTK Лейпциг” [22]
слева — траншея в процессе выемки грунта; справа — вид траншеи после уклад-
ки трубопровода
3.5.2. Применение большеразмерных облицовочных плит. Преиму-
ществом варианта облицовки стенок траншей и котлованов больше-
размерными плитами является возможность большей механизации грун-
товых работ, более быстрый монтаж и демонтаж стенок при ее соору-
жении и разборке, относительно большие размеры рабочего пространст-
ва в рабочей зоне траншеи и относительно большие расстояния между
устанавливаемыми распорками. Облицовочные плиты изготавливаются
из дерева или металла и усиливаются различными дополнительными
конструктивными элементами [95].
При применении конструкции системы ’’Крингс плит” [70] исполь-
зуются металлические плиты размером от 3 до 4 м в длину и от 2,4 до
2,6 м в высоту, имеющие усиление по периметру или непосредственно
по плоскости самой плиты* Устанавливаемые распорки закрепляются
шарнирно при помощи карданного соединения, которое допускает вер-
тикальное смещение противоположных плит. Устанавливая дополни-
тельные накладки, можно осуществлять крепление стенок котлованов
различной глубины.
Дальнейшим развитием этого способа крепления является вариант,
при котором применяются рельсовые накладки, по которым свободно
перемещаются скользящие пластины (рис* 3.40,я). Каждая из этих на-
кладок независимо от другой может перемещаться по вертикали. Сле-
дующим этапом развития этого варианта крепления явилось применение
двухступенчатой конструкции при прокладке траншей глубиной более
5 м (рис. 3.40,6), В этой конструкции применяются длинные накладки
с двумя направляющими, каждая из которых удерживает один ряд плит.
Таким образом по мере выемки грунта из траншеи поочередно осу-
ществляется опускание наружной или внутренней плит* При извлечении
облицовки траншей после завершения работ подъем плит осуществляет-
ся по мере обратной засыпки траншеи.
8-74У
113
Рис 3 40 Большеразмерные плиты для обшивки траншей системы ”Кринга” Ъ
Е?0] „ |
а — с парий направляющих для установки; б - с двойной системок направляю- £
щих в случае двухступенчатой установки
р
3.5.3. Пространственные рамные конструкции. Для совершенствова- J
ния традиционной конструкции крепления стенок с горизонтальными £
элементами обшивки применяются различные варианты. На рис. 3.41 .•£
изображен один из вариантов пространственной рамной конструкции, Ч
которая представляет собой металлическую пространственную раму, .1
выполненную из прокатных и трубчатых элементов. Эти рамы с наве- й
шенными облицовочными элементами в зависимости от местных геоло-
гических и гидрогеологических условий могут устанавливаться в зара-
нее отрытую траншею с соблюдением необходимых правил безопас- J
ности. Может быть также осуществлен вариант постепенного опускания 'J
конструкции, осуществляемый по мере выемки грунта различными
механизмами, как, например, обратной лопатой или грейфером.
Установка пространственной рамной конструкции включает следую-
щие этапы работ:
механизированная выемка грунта сразу на всю необходимую глубину |
траншеи; 5
установка в траншее рамной конструкции с закрепленными на ней я
элементами обшивки; |
закрепление элементов обшивки и распорок под защитой уже уста- |
новленной конструкции; |
извлечение конструкции после завершения работ по прокладке необ- -?
ходимых коммуникаций в траншее. ч
Подобные рамные конструкции применяются при постоянном профи-
ле траншеи по глубине, вертикальных и гладких поверхностях стенок.
Ширина сооружаемой траншеи, применяемая техника для разработки л
грунта и конструкция самой рамы взаимосвязаны. Для варьирования
114
Рис. 3.41. Готовая секция облицовки траншеи
1 - стержень; 2 - петля; 3 - каркас f 80; 4 - стойка из труб
ф 50x4 мм; 5 - раскос L 36x4; 6 - труба ф 42x4 мм; 7 - несущие
стильные трубы каркаса; 8 ~ шпунт; 9 — швеллер нижней обвязки
[ 50; 10 - болтМ20
ширины создаваемой траншеи можно путем надставки ковша грейфера
осуществлять выемку различной ширины. На рис. 3.42 показана кон-
струкция пространственной рамы, обшитой горизонтальными элемента-
ми перед ее опусканием в траншею. Более подробно вопросы конструи-
рования пространственных рам, технологии их опускания в траншею
и возможности применения в случаях сооружения крупных котлованов
описываются в работе [95].
Одна из разработанных в научно-исследовательском институте по
строительству в Будапеште конструкций стальной рамы описывается
Фишером в работе [35] (рис. 3.43). Особенность этой конструкции
заключается в том, что секция укладываемого в траншее трубопровода
опускается в нее одновременно с рамной конструкцией для закрепления
стенок. При этом в каждой опускаемой секции крепления размещается
сразу две секции укладываемого трубопровода длиной до 2 м и диамет-
ром до 0,5 м. Для облегчения последующего монтажа трубопровода в
рамной конструкции предусматривается подвеска тельфера.
Пространственные металлические рамные конструкции были опро-
бованы для применения также в неустойчивых грунтах. Установка
этих конструкций производилась вибрированием с .одновременной
выемкой грунта. Опускание в этом случае осуществляется под дей-
ствием собственного веса конструкции [38]. После достижения про-
115
Рис. 342. Готовая секция облицовки
траншеи с установленными шпунтами.
Общий вид [38]
Рис. 3.43. Венгерский тип облицовки сте*
нок траншеи
ектной глубины открываются установленные с торцов клапаны и на-
чинаются работы по прокладке очередной секции трубопровода. При
извлечении конструкции из грунта для уменьшения необходимого
подъемного усилия прикладывается вибрационная нагрузка в направле-
нии снизу вверх. Необходимо отметить, что подобные решения в неус-
тойчивых грунтах применяются лишь в отдельных случаях.
3.5.4. Крепление стенок траншей непрерывным способом. Для машин-
ной укладки труб, изготовленных из пластмассовых материалов, была
разработана новая машина (рис. 3.44), состоящая из двух систем, гибко
связанных друг с другом. Одна часть этого механизма представляет
собой траншейный экскаватор, являющийся одновременно базисной
частью всего механизма, а другая специально разработанный трубо-
укладчик специальной рамной конструкции, в средней части которого
находятся две вертикальные плоские стенки, образующие ящик, в ко-
тором и располагаются механизмы, обеспечивающие укладку трубопро-
Рис. 3.44. Схема машинной укладки труб в траншею
I — траншейный экскаватор; 2 — трубоукладчик;
3 — устройство для частичной обратной засыпки тран-
шеи; 4 — устройство для уплотнения частичной обрат-
ной засыпки грунта; 5 — секция трубы; 6 — удерживаю-
щее устройство; 7 — каток уплотнителя грунта засыпки
116
Рис. 3.45, Общий вид трубоукладчика
Рис. 3.46. Непрерывный способ уклад-
ки труб Рамшор
вода [35]. Обратная засыпка траншеи может быть произведена сразу
за укладкой трубопровода без перерыва во времени (рис. 3.45).
Процесс укладки трубопроводов непрерывным способом состоит
из нескольких полностью механизированных технологических операций:
выемка грунта из траншеи,
закрепление стенок отрытой траншеи,
117
прокладка и соединение участков трубопровода,
укладка постели трубопровода,
обратная засыпка траншеи,
уплотнение материала обратной засыпки.
Другим широко применяемым способом непрерывной укладки тру-
бопроводов является способ, известный под названием Рамшорсистемз.
В этом случае используется специальная конструкция, состоящая из
двух параллельных плоских металлических стенок, которые при их
перемещении в грунте образуют временные закрепленные стенки. В ло-
бовой части этих стенок имеются острые кромки, разрезающие грунт.
Сзади стенки ограничены гидравлически управляемой торцевой стен-
кой (плитой уплотнения). Грунт извлекается из пространства между
двумя стенками обратной лопатой, смонтированной на механизме, осу-
ществляющим перемещение всего комплекса. Разработанный грунт
укладывается в специальный бункер, расположенный над плитой уп-
лотнения и через специальный направляющий канал поступает обратно
в траншею и затем уплотняется плитой (рис. 3.46). Возникающее при
этом горизонтальное.- усилие направлено вперед, что обеспечивает более
легкое перемещение всего механизма.
ГЛАВА 4. ШПУНТОВЫЕ СТЕНКИ
Вертикальные шпунтовые стенки, используемые для крепления
откосов котлованов, являются самостоятельным видом крепления.
Их применение целесообразно в следующих случаях:
когда отметка дна сооружаемого котлована находится ниже уровня
грунтовых вод;
устройство сухих котлованов в условиях большого водопритока
или на водной акватории;
в грунтах со сравнительно низкой устойчивостью;
при устройстве глубоких котлованов;
при ограниченных размерах строительной площадки.
Шпунтовые элементы могут погружаться в грунт забивкой, вибри-
ропогружением или надавливанием.
4.1. ВИДЫ ШПУНТОВЫХ СТЕНОК
В зависимости от используемого материала шпунтовые стенки под-
разделяются на деревянные, металлические, железобетонные и из пред-
варительно напряженного железобетона. Деревянный шпунт по сообра-
жениям экономии природных ресурсов в настоящее время практи-
чески не применяется и поэтому в этой книге не рассматривается.
4.1.1. Металлические шпунтовые стенки. Металлические прокатные
профили небольшой толщины имеют относительно высокий момент со-
противления по отношению к площади поперечного сечения. Для уст-
ройства шпунтовых стенок наиболее часто используются профили, изо-
браженные на рис. 4.1. Представленные профили различаются попереч-
ным сечением, устройством замка и его расположением относительно
самого профиля. j
118
Рис.4.1 Профили металлического шпунта
a U-образный профиль с двойным замком; б — Z-образный профиль с зам-
ком на фланце
К конструкции замка, который выполняется в виде крючка или
кулачка, предъявляются следующие требования:
относительная свобода замка;
относительная легкость установки шпунта в замок;
обеспечение необходимой прочности замка на растяжение во всех
возможных направлениях;
достаточно плотное соединение шпунтовых элементов между собой.
Шпунт может быть Z- и EZ-образного профиля (см. рис. 4.1). При
Z-образном профиле замки располагаются на напорной стороне шпунта
и не совпадают с продольной осью стенки, т.е. лучше работают на растя-
жение. В этом случае поворот шпунта в замках не ограничивается про-
дольными усилиями в стенке на растяжение и сохраняется свобода де-
формаций. Замки располагаются как можно дальше от продольной оси
стенки, что обеспечивает дополнительное повышение момента сопро-
тивления профиля. В связи с этими особенностями Z-образный профиль
шпунта применяется при погружении в тяжелых грунтах.
В ^-образных профилях шпунта замки располагаются по продоль-
ной оси стенки, что облегчает их работу при возникновении изгибающих
моментов и больших касательных напряжений. Возникающие в замках
силы трения при забивке шпунта в песчаные, крупные пылеватые пески
и гравелистые грунты препятствуют их погружению. Кроме того, при
забивке шпунта в замках возникают деформации, вследствие которых
усилия возрастают еще больше. При забивке шпунта {/-образного профи-
ля в мелкопылеватые пески усилия могут возрасти до таких значений,
что придется увеличивать момент сопротивления поперечного сечения
стенки. Вместо этого можно рекомендовать сварку замков через один,
чем достигается увеличение момента сопротивления профиля шпунта.
Применяемая конструкция замков этого типа обеспечивает большую
подвижность шпунта относительно друг друга.
После забивки шпунта в грунт в целях более равномерного распре
деления нагрузки и обеспечения продольной устойчивости стенки необ-
ходима установка продольных балок жесткости или поперечных рас-
порок. Замки, при помощи которых поперечные распорки или про-
дольные балки соединяются со шпунтом, должны плотно прилегать к
ним. Образующиеся между ними в процессе забивки зазоры устраняются
119
Рис. 4.2. Пояс и распорки
из металлического шпунта
для обеспечения нормальной работы замков и ограничения возникаю- •=’
щих в них усилий.
В качестве продольных балок или связей обычно используются швел-
леры или сдвоенные швеллеры; если крепление стенок рассчитано )
на длительную эксплуатацию — железобетонные балки, а в некоторых |
случаях — сами шпунтовые элементы (рис. 4.2). Преимущество железо- /
бетонных балок заключается в том, что они выравнивают усилия, воз-
пикающие в отдельных шпунтах и обеспечивают более плотное прилета- &
ние к ним.
Соединение железобетонных горизонтальных балок с металлическим Ц
шпунтом осуществляется приваренными к ним хомутами. Металличес- J
кие продольные балки присоединяются к шпунту с помощью прикреп-
ляемых к ним консолей или привариваемых круглокатаных хомутов. Д
Разветвление шпунтовых стенок и их повороты осуществляются g
при помощи специальных металлических профилей, которые чаще всего
получают путем разрезки стандартного шпунта в продольном направле- $
нии на нужные секция, которые затем также могут свариваться между 1
Рис. 4.3. Фрагменты угловых сопряжений металлического шпунта
а, б - клепаные соединения при помощи полушпунта U-образного профиля;
в — сварные соединения ^-образного профиля _ .?
120
собой дня получения любого поперечного сечения. Некоторые из воз-
можных профилей, получаемых подобным образом, приведены на
рис. 4.3.
Как правило, при сооружении шпунтовых стенок не выдвигаются
какие-либо дополнительные требования в части обеспечения необходи-
мой водонепроницаемости. Поэтому в водонасыщенных грунтах или
водоемах поступающая в котлован через замки вода может быть удале-
на сбором в коллекторы и откачкой различными способами. Количе-
ство поступающей через замки воды со временем уменьшается в связи
с постепенной забивкой неплотностей замков частицами грунта. При
сооружении шпунтовых стенок в открытых водоемах этот процесс мож-
но интенсифицировать путем дополнительной подачи мелких частиц
(например, золы) к наружным поверхностям замков. Уплотнение
замков можно осуществить также с внутренней стороны шпунтовой
стенки забивкой их различными материалами, как, например, деревян-
ными клиньями, резиной, искусственными материалами или жестью.
Сварка замков допускается лишь в исключительных случаях.
Водопроницаемость замковых соединений может увеличиться в тех
случаях, когда в процессе забивки шпунт натыкается на крупные вклю-
чения в грунте (валуны и др.), в результате может произойти выскаки-
вание одного элемента из замка другого, скручивание шпунта или замка.
Это приводит к снижению надежности стенки и поэтому обнаруженные
включения в грунте должны быть с внешней или внутренней стороны
изолированы дополнительно забиваемым шпунтом. В несвязных грун-
тах возможно также выполнение инъекционных работ в целях уплотне-
ния грунта и уменьшения количества поступающей в котлован через
стенку воды.
4.1.2. Железобетонные н предварительно напряженные железобетон-
ные шпунтовые стенки. Применение шпунтовых стенок из железобетон-
ного или предварительно напряженного железобетонного шпунта реко-
мендуется лишь в тех случаях, когда они впоследствии будут исполь-
зоваться как составная часть сооружаемых фундаментов, или когда
грунтовые условия позволяют осуществить их легкую забивку в грунт.
В остальных случаях их применение обычно не является экономически
оправданным, так как они не обладают необходимой прочностью для
повторного использования. Кроме того, возникают сложности при
обеспечении необходимой водонепроницаемости замков между отдель-
ными элементами.
В 1950-х гг. в ГДР широко применялись железобетонные шпунтовые
стенки, изготовлявшиеся по типовому каталогу [5]. Они изготавлива-
лись толщиной 160 или 240 мм и шириной 490 мм. Длина этих элемен-
тов составляла 3 или 6 м. Замок представлял собой трапецеидальный
паз, в который входил также трапецеидальный выступ другого шпунта.
На рис. 4.4 показана подобная конструкция, на которой трапецеидаль-
ный паз проходит почти по всей длине и лишь внизу, на участке длиной
1,4 м, с одной стороны паз, а с другой — такой же формы выступ. Ниж-
ний конец шпунта имеет односторонний скос, который обеспечивает
прижим забиваемого шпунта к ранее установленному.
Перед началом работы по уплотнению шва между смежными эле-
ментами необходимо тщательно промыть водой паз между ними. В
качестве уплотняющего материала используются цементный раствор,
121
Рис. 4.4. Железобетонный шпунт
й — боковой и фронтальный виды шпунта; б — вид свер-
ху; в — сечение А—А; г — сечение Б—Б
битумный бетон, джутовые канаты или шланги, наполненные цемент-
ным раствором, или деревянные бруски. Сравнительно недавно нашли
новое решение — полиэтиленовые шланги, которые заводятся в паз
и заполняются цементным раствором. Шланг исключает возможность
вытекания раствора. Выбор окончательного варианта уплотнения шва
между шпунтовыми элементами зависит в каждом конкретном случае
от местных условий и решается индивидуально.
Применение железобетонных шпунтовых стенок приводит к необ-
ходимости выполнения больших и трудоемких работ по их забивке.
В связи с этим при их установке чаще используется метод опускания
подмывом грунта.
При забивке шпунта необходимо соблюдение следующих условий:
масса используемой при забивке бабы должна быть равна массе за-
биваемого шпунта;
размеры устанавливаемого на шпунт оголовка должны обеспечивать
плотную его насадку и равномерную передачу усилия.
122
Рис. 4.5. Шпунт из предварительно напряженного железо-
бетона
а — вид на шпунт сбоку и спереди; б — поперечные се-
чения; в — варианты поперечных сечений; 1 - углубление
для размещения направляющих проволочных концов;
2 — пустоты
Шпунт из предварительно напряженного железобетона по сравнению
с железобетонным имеет ряд преимуществ: бблыпую прочность, мень-
ший расход металла, меньшую массу, меньшую вероятность образования
трещин, больший срок эксплуатации. Меньшие размеры, кроме того,
облегчают забивку. Однако транспортные расходы по доставке такого
шпунта относительно высоки.
Предварительно напряженные железобетонные шпунтовые элементы
могут быть сплошного сечения или с круглыми пустотами (рис. 4.5).
Предварительное напряжение шпунта производится эксцентричной на-
грузкой. Для уплотнения швов между шпунтом вставляется пластмассо-
вый шланг, наполняемый раствором.
Проведенные испытания предварительно напряженных и обычных
железобетонных шпунтовых стенок показали, что стенки из предвари-
тельно напряженных элементов обладают большей прочностью и устой-
чивостью против возможных нагрузок. Разрушение и повреждение
их оголовков происходит значительно реже.
123
Однако из-за относительно больших расходов на транспортировку,||
изготовление и забияку железобетонные и предварительно напряжен-
ные железобетонные шпунтовые стенки в настоящее время не находят -Я
широкого применения. J
4.2. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЖЕСТКОСТИ СТЕНОК И ИХ ЗААНКЕРИВАНИЕ 1
В ГРУНТ 1
Действующие на конструкции крепления стенок давление грунта
и воды, а также нагрузки от транспорта, движущегося по краю котло Д
вана, должны восприниматься либо распорками, либо передаваться на
грунт за пределами котлована анкерами.
4.2.1. Распорки. В состав конструктивных зле ментов шпунтовых
стенок, закрепляющих откосы котлована, входят: вертикальный шпунт, J
горизонтальные продольные связи, горизонтальные распорки, соеди- J
нительные элементы. |
Расстояние между горизонтально устанавливаемыми балками, обес- а
печиваюгцими выравнивание нагрузок и продольную жесткость, опреде-
ляется их несущей способностью и расстоянием между устанавливае- |
мыми распорками. Установка горизонтальных связей должна произво-1
диться параллельно с производством работ по разработке грунта из кот- J
лована.
Для обеспечения жесткости шпунтовых стенок в зависимости от Л
глубины сооружаемого котлована и возникающих усилий применяют-^
ся деревянные, прокатные металлические профили, составные прокат-;!
ные профили, трубчатые, пространственные рамные и железобетонные |
распорки. Обычно распорки устанавливаются перпендикулярно про-1
дольной оси котлована. Однако при необходимости расширения рабо-|
чего пространства распорки могут устанавливаться также под углом к j
продольной оси котлована, как это показано на рис. 4.6. Установка!
распорок должна производиться таким образом, чтобы в них имелись^
начальные усилия сжатия и исключалась возможность обрушения.
Деревянные распорки раскрепляются к продольным балкам при]
помощи специальных клиньев, изготавливаемых из прочного дерева.|
При этом необходимо различать жесткое и подвижное соединение ИЭ&
этих элементов. Конструкция крепления деревянных распорок к дву-|
тавровым продольным балкам показана на рис. 4.7,д-в. Применяв-!
мые при этом хомуты, которые могут быть выполнены из крутлока-1
таной проволоки или полосовой стали, закрепляются к продольным^
балкам. Клиньями обеспечивают предварительную нагрузку распорок. |
Недостатком этой конструкции является то, что в процессе устройст-!
ва крепления и его последующей работы необходимо осуществлять!
постоянный контроль за состоянием распорок с тем, чтобы не произош-1
ло их ослабление и вываливание, поэтому особый контроль должен |
вестись за установленными клиньями. Для предотвращения обрушения |
ослабевших клиньев могут применяться специальные подкладки, изобра- |
женные на рис. 4.7/. Распорки должны быть также раскреплены в про- |
дольном направлении с тем, чтобы исключить возможность их смеще-
ния и ослабления. Если в качестве продольных балок применяются пшел-с
леры, устанавливаемые распорки не могут вывалиться вниз и быть вы- <
битыми вверх. Дополнительное закрепление их в продольном надрав-|
лении может быть осуществлено фиксаторами, изображенными на!
рис. 4.7 ,д-е. 1
124 1
рис. 4*6* Облицовка траншей с применени-
ем раскосов
а — в узких траншеях; б — в широких
траншеях; I - шпунтовая стенка; 2 -
распорки; 3 - пояс обвязки; 4 - подко-
5 - продольные связи; 6 — распорки;
7-- балки упора распорок
а)
Рис. 4.7. Способы крепления деревянных распорок к обвязке
а — при помощи накладки; б — с помощью носика; в — при помощи хомута
типа "Кребс" из прутковой стали; г - при помощи скобы и опорной чашки;
д - фиксация от бокового смещения при помощи круглой или плоской стали;
е — предохранение от смещения при помощи приваренных уголков; 1 — накладка;
2 — распорка; 3 — стойка из двутавра; 4 — носик; 5 — хомут типа "Кребс"; 6 —
хомут; 7 - клинья; 8 - опорная чашка; 9 — металлический ограничитель; 10 -
стойка из швеллера; II - уголок
125
Широкое применение находят распорки, изготовленные из прокатных^
профилей. При этом предпочтение отдается профилям с широкими пол^|
ками. На концах таких распорок устраиваются опорные площадки иэ|
металлических пластин, которые обеспечивают более равномерную пег]
редачу давления. Своими концами такие распорки укладываются либб!
на специально приваренные консоли, выполненные из швеллера, либо к |
концам распорок привариваются специальные накладки, которые заво-;’|
дятся между устанавливаемыми продольными балками и шпунтом/^
Большее применение находит первый вариант, так как при его осушеств-Л
лении возможно предварительное нагружение распорок специальными
клиньями. Для этого используют два клина, один устанавливается на I
приваренную полочку, а второй забивается сверху. Это исключает воз-1
можность выскакивания клина и ослабления распорки. В этом случае!
может быть обеспечено большее предварительное усилие, чем при пример
нении горизонтально устанавливаемых клиньев, которые выскакива- 3
ют чаще. Второй вариант крепления распорок, исключающий примене- ;
ние клиньев, находит применение в тех случаях, когда не требуется
предварительное нагружение распорок.
По статическим условиям работы, продольная ось распорки должна -;
совпадать с осью продольной балки, расположенной вдоль стенки котло'
вана. Точное совпадение этих осей достигается закреплением распорок/^
специальными накладками, которые привариваются к продольным бал-
кам.
На рис. 4.8 изображено крепление узкой траншеи шпунтовой стен-d
ксгй. Распорки в этом случае крепились деревянными клиньями и удер- 2
живались уголковыми накладками. Продольная балка при помощи!
болтового соединения закреплялась к шпунту.
В широких котлованах для увеличения рабочего пространства приме-
няются как наклонные, так и вертикальные элементы, обеспечивающие
необходимую жесткость и прочность шпунтовой стенки. Для этого вдоль ’
продольной оси котлована устраивается несколько рядов продольных!
балок, которые могут соединяться между собой дополнительными вер-!
тикальными стойками. В этих случаях особое внимание должно быть
обращено на обеспечение прочности распорок, при которой исключалась ’•
бы возможность их перелома. При этом должна учитываться как верти-
кальная, так и горизонтальная жесткость распорок от действия усилий <
в двух плоскостях- В некоторых случаях приходится устанавливать до-
полнительные элементы, исключающие возможность скручивания распо- :
рок. При их установке и фиксации положения необходимо предотвра-
тить возможность их смещения жесткой фиксацией точек пересечения.
На рис. 4.9 показано ограждение котлована и конструктивное реше-
ние углового соединения продольных шпунтовых стенок. Распорки в
этом случае прикреплялись болтами к специальным косынкам, кото-
рые были приварены к продольным балкам. На рис. 4.10 показан общий
вид котлована, стенки которого выполнены из металлического шпун-
та. В качестве распорок были применены металлические составные
балки.
В случае применения в качестве распорок трубчатых элементов их
соединение с продольными балками выполняется дополнительными
металлическими элементами, которые привариваются как к распоркам,.
так и к балкам. Два варианта крепления стенок показаны на рис. 4.11.
126
Рис. 4.8. Крепление стенок траншеи
j? — поперечное сечение траншеи; 6 — узел ”А”; в — горизонтальное сечение
через точку А; 1 - 120; 2 - консоль; 3 - распорка Т14; 4 — шпунтовая стенка;
5 - 15x168x80; 6 - поверхность грунта; 7 - 40x120x10 (наваривается с каж-
дой стороны стойки, обеспечивает жесткость обвязки и распорок; 8 — клинья из
твердых пород дерева; 9 - -300x400x25 (наваривается перед монтажом); 10 -
L100x150x12
В ряде случаев для крепления откосов котлованов применяются рас-
порки без устройства промежуточных диафрагм. Такие же распорки
применяются в случаях возникновения больших поперечных усилий.
Эти распорки выполняются в виде балок, имеющих три или четыре опор-
ных площадки для увеличения площади опирания.
Применение железобетонных распорок в виде замкнутых рамных
конструкций целесообразно в комплексе с другими конструктивными
элементами. Это могут быть котлованы под массивные сооружения,
как, например, опоры мостовых строений, когда конструкции крепле-
ния котлована впоследствии становятся частью самой опоры (рис. 4.12).
Применение железобетонных распорок позволяет осуществлять бетони-
рование опор без перерывов, так как не требуется демонтаж или уста-
новка новых распорок.
Железобетонные распорки применяются при сооружении шахтных
стволов. В этом случае продольные связи и распорки заделываются
либо между отдельными секциями облицовки, либо входят в состав
самой конструкции.
127
в)
Рис. 4.9. Обеспечение жесткости угла котлована, обшитого металлическим шпуи- .
том . „ п , :?=
а _ продольное сечение; б - поперечное сечение; е - узлы А, Ь и о; 1 - вырве- .;
кивающий лист; 2 - металлический шпунт
При применении железобетонных элементов возможны следующие ??
основные варианты:
сборные элементы, используемые в качестве несущих поперечных ..
элементов;
в качестве ребер жесткости при сооружении подготовительного
слоя бетонного основания котлована; ..Ц
в качестве плиты основания котлована.
128 ,1
Рис. 4.10. Обеспечение жесткости стенок котлована, обши-
тых металлическим шпунтом
При сооружении больших котлованов для повышения прочности
шпунтовой стенки могут применяться наклонно установленные распор-
ки, как это показано на рис. 4.13. Они могут либо закрепляться концами
непосредственно в шпунтовые стенки, либо опираться в специальные
закладные детали.
4.2.2. Анкера. Стенки котлованов закрепляются анкерами в тех слу-
чаях, когда, во-первых, установка распорок невозможна или, во-вторых,
Рис. 4.11. Варианты устройства трубчатых
распорок
а - цилиндрические концы распорок;
б — конические концы распорок; 1 -
трубчатые распорки; 2 - торцевая плита;
3 — упорная плита; 4 — наваренные метал-
лические пластины; 5 — конус
Рис. 4.12, Железобетонные рас-
порки в котловане
9--749
129
УЗЕЛ А
Рис. 4.13* Крепление шпунтовой стенки железобетонными подкосами
1 - железобетонный подкос 250x250 мм, 1 = 7 м; 2 - шпунтовая стенка; 3 —
внутренняя обшивка; 4 - грунт удаляется после установки подкоса; 5 - бетонная
подготовка; 6 — беТон; 7 — приваренная пластина 450x250x20; 8 — 1 100x150x12,
I = 300 мм; 9—1 22; 10 — защита внутреннего шпунта; 11 — болт М 24; 12 — лис-
товой металл; 13 -L5Ox5,1 = 180 мм
когда по технологическим причинам в котловане полностью отсутству-
ют поперечные балки к, в-третьих, когда давление грунта на стенки кот-
лована различно, что возможно в разных по характеристикам грунтах
и наличии напорных грунтовых вод или других сил, вызывающих несим-
метричные нагрузки.
Глубина установки анкеров и их число зависят от характеристик
грунта, наличия и уровня грунтовых вод, а также способа закрепления
анкеров. Заанкеривание осуществляется за шпунтовые стенки, специ-
альные анкерные плиты или анкерные плиты и шпунтовые элементы, а
в некоторых случаях за инъекционные анкера (рис. 4.14).
Применение анкерного крепления стенок целесообразно также в тех
случаях, когда шпунтовые стенки заглубляются ниже отметки сооружа-
емого котлована или шпунтовые стенки могут быть закреплены анкера-
ми за имеющиеся в грунте опоры. Как правило, все сооружаемые шпун-
товые стенки требуют сравнительно высокого расположения анкеров.
Анкеры представляют собой гладкокатаный профиль круглого сече-
ния или из профилированной стали, предварительно напряженный сталь-
ной элемент или стальной трос. Натяжение анкерных устройств осуще-
ствляется специальным натяжным устройством. Закрепление анкера
за конструкцию стенки производится либо непосредственно за шпунт,
либо за продольные балки. При сравнительно небольших нагрузках
130
4
кот-
IS
ловли
Рис. 4Д4. Способы заанкеривания
а — заанкеренная стенка или плита из железобетона; б — заанкеренная стенка
из шпунтовых элементов; в - заанкеривание круглых свай и опор; г - наклонные
сваи; д - инъекционный анкер; 1 - поперечная траншея для заводки анкера;
2 - продольная траншея для установки анкера; 3 - анкер; 4 - основание тран-
шеи; 5 - бетонная стенка или плита; 6 - поперечный профиль устанавливаемой
рамы; 7 - шпунтовая стенка; 8 - свая, анкер; у - анкер; 10 отметка разработ-
ки грунта в котловане для установки анкера или инъекционного анкера; 11 — зо-
на инъекции
их закрепляют за элементы стенки жестко, при больших усилиях и уст-
ройстве глубоких котлованов — при помощи шарнирных креплений
(рис. 4.15).
Анкерные крепления стенки или плиты обычно применяются при раз-
работке грунта сразу на всю глубину котлована, как, например, при
сооружении различных прорезей или когда закрепление стенок произ-
водится сразу после выемки грунта заранее приготовленными плитами,
а также в случае котлована с наклонными стенками или фигурным
шпунтом.
Размеры сечений анкеров и места их расположения необходимо
рассчитывать таким образом, чтобы было гарантировано надежное
восприятие давления грунта. При этом в расчет вводится коэффициент
надежности (1,5). Вместе с тем необходимо исключить возможность
превышения допустимых на анкер нагрузок, что может произойти вслед-
ствие прогиба стенок. При расчетах устойчивости анкеров и допустимой
величины нагрузки на них необходимо рассматривать стенку и анкер
как единую конструкцию. Способы закрепления анкеров и вследствие
этого условия расчета таких систем столь многочисленны, что в данной
работе могут быть приведены лишь ссылки на имеющуюся литературу
по этому вопросу [12, 42,96,132, 159].
Инъекционное закрепление анкеров применяется не только при
креплении шпунтовых стенок, но также при сооружении обычных кон-
струкций, состоящих из отдельных стоек с горизонтально располагае-
мыми элементами заполнения.
131
РАЗРЕЗ А - А
Рис. 4.15. Закрепление цилиндрического анкера
а - жесткое присоединение; б — шарнирное при-
соединение; в — присоединение двойным шарниром
Устройство инъекционного анкерного крепления состоит из несколь-
ких последовательных операций. На первом этапе в стенке открытого
котлована пробуривается отверстие, направленное во внешнюю от кот-
лована сторону и заканчивающееся в грунте (глухое отверстие). Затем
в отверстие вводится достаточно жесткий анкер, который продвигается
на необходимую длину, после чего в пространство между стенкой и вве-
денным анкером любым из возможных способом нагнетается цемент-
ный раствор. После заполнения всего отверстия цементным раствором
анкер немного вытягивается обратно в сторону котлована, после этого
подается новая порция цементного раствора. Этот процесс повторяется
до тех пор, пока зона сцепления раствора с грунтом будет способна вос-
принимать срезывающие усилия. В зависимости от размеров созданной
зоны изменяется усилие, на которое может быть рассчитан анкер. В этом
случае усилие определяется расчетом гладкого скольжения образованной
зоны в грунте на ее выдергивание.
132
4
После окончания работ в котловане до разборки всей системы произ-
водят обратную засыпку котлована грунтом и затем ослабление уста-
новленных анкеров. После этого производится разборка устройства по
внешнему закреплению анкера в грунте. Инъекционные анкера обычно
остаются в грунте. Во избежание дополнительных осложнений при произ-
водстве работ на последующих этапах необходимо составление плана рас-
положения оставляемых в грунте инъекционных анкеров.
Обычно устройство анкерного крепления стенок обходится доро-
же, чем применение всякого рода внутренних распорок. Однако их
применение целесообразно в случаях непрерывного технологического
процесса работ в котловане (см. разд. 1.1) или если установка горизон-
тальных или наклонных внутренних распорок не представляется воз-
можной.
43. РАСЧЕТ ШПУНТОВЫХ СТЕНОК
В этом разделе шпунтовые стенки неглубоких котлованов рас-
считываются по методу Блюма с использованием номограмм. При этом
широко используются ЭВМ, для многих расчетных случаев существуют
готовые программы расчета. Однако точность результатов этих расчетов
в значительной степени зависит от качества вводимых исходных данных,
причем не только от исходных геометрических параметров, но также
от инженерно-геологических характеристик грунтов и их изменений
в процессе работы шпунтовой конструкции.
При выборе необходимых сечений, используемых для сооружения
шпунтовых стенок профилей, необходимо учитывать не только режим
их доследующей работы и возникающие при этом нагрузки, но также
усилия, появляющиеся в процессе забивки шпунта, которые в значи-
тельной степени зависят от местных геологических условий и неоднород-
ности грунтов.
4.3.1. Основные положения расчета. Шпунтовые стенки рассчиты-
ваются на давление обрушающегося нескального грунта, гидростатичес-
кое и гидродинамическое давление грунтовых вод, а также на реактив-
ные усилия, как, например, отпор грунта, усилия от устанавливаемых
анкеров и распорок в котлованах.
Статическая расчетная система. При расчетах шпунтовых стенок
необходимо различать приведенные на рис. 4.16,с—г статические расчет-
ные схемы:
консольная шпунтовая стенка без дополнительных опор;
консольная шпунтовая стенка с одной опорой по высоте;
шпунтовая стенка, свободно расположенная в грунте и имеющая
одну опору по высоте;
шпунтовая стенка, свободно расположенная в грунте и имеющая
несколько опор по высоте.
Первая из перечисленных расчетных статических систем требует
надежного закрепления шпунта в грунте и в связи с этим относительно
глубокого погружения. Применение этой схемы возможно лишь в не-
глубоких котлованах при наличии свободного пространства, не загро-
можденного различными дополнительными внутренними распорками
и наличии достаточно крепких и устойчивых грунтов на отметках ниже
дна сооружаемого котлована.
133
Рис. 4.16. Схемы статической работы шпунтовых подпорных
стенок
В случае осуществления варианта, имеющего одну дополнительную
точку опирания по высоте в статической схеме расчета, в зависимости
от глубины забивки различают случаи полного, частичного защемления
в грунте или случай свободного расположения в грунте без защемления.
При одинаковой глубине сооружаемого котлована и одинаковой нагруз-
ке необходимая длина шпунта в случае защемления в грунте должна
быть больше, чем при расположении в грунте без защемления, но вели-
чина изгибающего момента, действующего на шпунт, будет несколько
меньше, что позволяет использовать более тонкий профиль, т.е. полу-
чить некоторую экономию металла.
Шпунтовые стенки, защемленные в грунте и имеющие несколько
точек опирания по высоте, в первом приближении могут рассчитывать-
ся как равномерно нагруженные балки, при этом учитывается глубина
их погружения в грунт. При свободном расположении шпунта в грунте
на длине погружения действующее на нее усилие равно или меньше ак-
тивного I/17 сопротивления грунта. При расположении шпунта в откры- j
той воде или при наличии фильтрационных потоков в грунте во многих
случаях основными нагрузками являются нагрузки от фильтрационного
потока.
Распределение давления грунта. Основной нагрузкой при расчете
шпунтовых стенок является давление грунта. Основная проблема при
этом состоит не столько в вычислении самой величины давления грун- ;
та, сколько в определении его распределения по высоте в соответствии
с местными грунтовыми условиями. Основные положения по определе-
нию давления грунта на конструкции котлованов приведены в разд. 1.4.3.
В соответствии с этим шпунтовая стенка, не имеющая дополнительных
опор по высоте, может рассматриваться как частный случай конструк-
ции, свободно вращающейся вокруг точки, расположенной у ее подош-
вы. Давление грунта на шпунт в этом случае может рассматриваться
в соответствии с классической теорией Кулона.
При определении нагрузок на шпунтовые стенки, имеющие одну или
несколько промежуточных опор (равно как и для случая заанкеренных
стенок), необходимо учитывать, что между точками опирания происхо-
дит прогиб шпунта. Это приводит к тому, что стенка остается неподаиж- ;
ной лишь в точках ее опирания. Вследствие этого в грунте, прилега- *
ющем к стенке, появляются силы внутреннего трения. В соответствии )
Z
134 i
с характеристиками и свойствами грунта величина этих сил и определит
давление на стенку на участках между точками опирания шпунта и вмес-
те с тем приведет к возрастанию нагрузок в точках опирания. Таким об-
разом имеет место некоторое перераспределение нагрузок. Полная вели-
чина давления грунта на стенку остается без изменения. Характер пере-
распределения нагрузки при этом существенно зависит также от конст-
рукции стенки и ее материала.
Дальнейшее перераспределение давления грунта может произойти
в процессе забивки шпунта в зависимости от технологии разработки
грунта и заполнения образующихся за шпунтовой стенкой пустот. Таким
образом изменения давления грунта на стенку зависят от убывающих
и возрастающих нагрузок на них, перемещений горизонтальных усилий
от распорок или анкеров. При этом деформации стенки не вызывают
в грунте усилий, превосходящих предела прочности на срез (см. табл.
1.6), а усилие, передаваемое на шпунт, может оказаться больше, чем
величина активного давления грунта. В последующем, особенно при
связных грунтах, могут возникнуть изменяющиеся по величине на-
грузки.
При выемке грунта до уровня первой распорки или анкера верхняя
часть шпунта изгибается в сторону котлована. По мере дальнейшей раз-
работки грунта верхняя часть шпунта (вследствие прогиба ниже первой
точки опирания в сторону котлована) начинает изгибаться в сторону
грунта, плотно прижимаясь к нему. Наступает перераспределение давле-
ния грунта на шпунт, что приводит к уменьшению действующего момен-
та в пролете шпунта или стенки, но одновременно возрастает усилие в
точке опирания анкера (рис. 4.17,t/), При заполнении пространства,
образовавшегося за свободно стоящим шпунтовым элементом с одной
промежуточной опорой по высоте (рис. 4.17,6), они прогибаются в сто-
рону котлована, вследствие чего происходит проворачивание точки
опоры. Последующее заполнение пространства, образующегося за верх-
ней частью стенки, приводит (особенно при сильном уплотнении грунта)
к существенному перераспределению давления грунта.
Вследствие изменения нагрузки от транспорта по краю котлована,
действия анкеров и распорок, смещений и прогибов и других, воздей-
ствий наступают дальнейшие изменения в распределении давления грунта
на стенку. Для учета этих изменений принимается среднее значение дав-
ления в каждой точке по высоте шпунта, определяемое по рекомендаци-
ям, приведенным в работе [208]. По аналогичным причинам усилия ан-
керов или распорок в расчетах принимаются несколько большими,
причем принимаемый коэффициент увеличения этих нагрузок зависит
от жесткости шпунта и характеристик грунта.
Изменения в распределении давления грунта, которые приводят к
изменению момента в точке закрепления анкера и увеличению усилия
в самих анкерах, но одновременно уменьшают величину изгибающего
момента в середине пролета шпунта, определяют с учетом следующих
обстоятельств:
применение жестких малодеформируемых распорок или анкеров,
предварительное напряжение анкеров или натяжение распорок,
применение относительно гибких шпунтов ых элементов или стоек.
Давление грунтовых вод. Избыточное давление грунтовых вод суще-
ственным образом влияет на устойчивость шпунтовых стенок, особенно
в тех случаях, когда отметка дна сооружаемого котлована располагается
135
Рис. 4.17. Схемы деформаций подпорных стенок при понижении отметки дна кот-
лована (а) и при обратной засыпке (б)
1 — смещение стенки вперед; 2 — отметка котлована при забивке шпунта; 3 -
анкер; 4 — отметка дна котлована
существенно ниже уровня грунтовых вод. При расчете стенок должно
учитываться возникающее при этом давление грунтовых вод со свобод-
ной поверхностью [208].
Эпюра избыточного давления грунтовых вод проходит от отметки
свободной водной поверхности под углом 45° до точки наибольшего
давления грунтовых вод, расположенной на отметке наинизшего уровня
воды, и далее по линии, которая проводится параллельно до отметки
подошвы стенки (на рис. 4.18 штриховая линия). Этот прием использу-
ется только в том случае, если подошва шпунтовой стенки входит в во-
донепроницаемый слой грунта. Кроме того, при водонепроницаемых
стенках учитывается возможность повышения уровня грунтовых вод
Рис. 4.18. Определение значения уровня статического и избыточного давления .
грунтовых вод по линиям равного потенциала
а - когловдя, расположенный в бассейне со свободной водной поверхностью; ;
б — траншея с отметкой уровня грунтовых вод ниже свободной поверхности i
грунта $
136
до отметки верха стенки и перелива через нее. В этих случаях давление
воды определяется от уровня возможного повышения воды.
При устройстве стенки в водопроницаемых грунтах большой тол-
щины под подошвой шпунтовой стенки может появиться поток грунто-
вых вод. В этом случае давление воды может превысить полное давле-
ние (т.е. сумму давлений от грунта и грунтовых вод в их статическом
положении) и определяется по сетке гидродинамического давления,
приемы построения которой изложены в разд. 7.2.1. По точкам пересече-
ния потенциальных линий движения потока со стенкой котлована полу-
чают двусторонние плоскости давления и затем, путем их переноса,
определяют избыточное давление воды со стороны грунта. Эта линия
имеет криволинейную форму, значение которой равно нулю на отметке
свободной поверхности грунтовых вод, максимальное и нулевое зна-
чения на уровне подошвы шпунтовой стенки определяются построением.
В реальных условиях на уровне подошвы стенки сохраняется неболь-
шое давление, которое соответствует значению перепада при обтекании
ее грунтовым потоком.
При точном определении избыточного давления по линиям потен-
циального движения необходимо учесть, с одной стороны, увеличение
давления грунта вследствие направленного вниз потока напорных грун-
товых вод (разд. 7.23.1) по формуле
Ps=-Pw^hw/dI>
и, с другой стороны, давление со стороны грунта в котловане, оказы-
вающего сопротивление движению грунтового потока, направленное
вверх. В экстремальном случае гидравлический перепад давления за
шпунтовой стенкой при движении воды вверх определяется градиентом
i - 1, что может привести к возникновению гидравлического обрушения
грунта (см. разд. 73).
Давление воды на уровне подошвы стенки определяется в сечении
с потенциалом по выражению
43.2. Защемленные в грунте стенки без дополнительных опор. Они
могут быть рассчитаны на участке ниже нулевой точки в условиях гомо-
генных грунтов по номограммам, составленным Блюмом. При этом в
первую очередь учитывается давление грунта от его поверхности до по-
ложения нулевой точки. В основу расчета положена теория Кулона.
Угол внутреннего трения по стенке в общем случае принимается рав-
ным = 2/ЗФ'. Однако при L V = 0 6 = —Ф'/2. Обычно для определения
величины давления грунта используются данные, приведенные в разд.
1.4,2.1.
Расчет по Блюму основывается на положении, что стенка, находящая-
ся под давлением, совершает некоторый поворот относительно точки,
лежащей на значительной глубине от поверхности. Вследствие этого
поворота возникает момент, который удерживает стенку в равновес-
ном состоянии. Для решения практических задач может быть применена
эпюра активного и пассивного давления грунта, приведенная на рис. 4.19.
Глубина точки нулевого загружения от отметки дна котлована может
быть определена по следующей формуле:
137
Рис. 4.19. Консольная шпунтовая стенка
а - распределение активного и пассивного давления грунта: 1 - смещение шпун-
товой стенки вперед; 2 - отметка дна котлована; 3 - активное давление грунта;
4 — пассивное давление грунта; б — идеализированная схема нагрузки; в — рас-
четная схема по Блюму
_______________- ^ah^s
Pn^^phy ^ahy Pn^rk
(4.2)
^rh Kphy r‘p &ahy5
(43)
где eah, s ордината давления грунта на отметке подошвы котлована; 7] — коэф,
фициент запаса прочности 1? -1,5.
Так как давление грунта выше точки нулевого загружения Nя обыч-
ных условиях распределяется неравномерно, то обычно эпюра давления
грунта заменяется несколькими отдельными силами. Теоретически не-
обходимая глубина забивки шпунта t (или t — теоретически нсобхо*
димое заглубление подошвы шпунта от отметки дна котлована, или точ-
ки нулевого момента) определяется из условия ZMF = О. В соответст-
вии с обозначениями рис. 4Л9 в этом случае
^W'o +°) -<Лго/6 = °; +a)^l6pgK-rht^0.
Величина момента нагружения относительно точки нулевого загружения
~ (г о + й) — (2/у г0 >
откуда следует
+ &N 'о ” ~~^P^rh ’
3 = + t
PS^rh PS^r}t
(4.4)
Введем вспомогательные выражения
138
A 0.5Q
“fa i
-в,я
-0.П 1
£
G,!5
GJO
Рис. 4.20. Номограмма для расчета шпунтовых стенок, по Блюму [11]
а - защемленные е грунте стенки без дополнительных опор; б — защемленные в
грунте стенки с одной дополнительной опорой; в — свободно заделанная в грунт
стенка с одной дополнительной опорой
139
Рис. 4.21. Пример расчета
I
т =
PZ^rh pgKrh
n л 6Mn =
PS^rh P^rh
Получим
ro="Wo+V
(4.5)1
(4.6)|
Используя номограмму на рис. 4.20, по т£ и пе определяем fQ. ДляД
определения силы С необходимо разбить эпюру на участки высотой
более Af = 0,20fo. Тогда необходимая глубина погружения подошвы1^
шпунтовой стенки определится как
tR =iz+l,20fo. (4.7) t
.?."ё
Точка с максимальным моментом и нулевым значением поперечной^
силы расположена на глубине под точкой нулевого загружения
*™=V—г&~- (4.8)4
Максимальный момент в этой точке определяется из выражения 5
MF = 2 Eahi <а + хт ) ’ -1 /^PSK'rh хт <4-9) |
При консольных стенках условие равновесия действующих сил запи- Л
сывается следующим образом: -Я
+ s +Лр + Ep)/Bv,
140
где Eav - вертикальная составляющая грунтового давления, кН/м; Cv - верти-
кальная составляющая силы Сг кН/м; Fw - собственный вес шпунтовой стенки,
кН/м; Fp “ внешняя нагрузка на стенку, кН/м; Ву - вертикальная составляющая
отпора грунта, кН/м.
При расчете усилия распора по Блюму обычно достаточно принять
значение коэффициента запаса прочности = 1.0.
Пример. Котлован глубиной 3,0 м закрепляется консольными шпунтовыми
стенками. Толщина верхнего слоя грунта 1,0 м, под ним песчано-гравелистый
грунт. Дополнительная полезная нагрузка по краю котлована принимается рав-
ной 10 кН/м2.
Характеристики верхнего слоя грунта:
И ~ ±0 до —1 м; Рп —1,67 т/м3; pg —16,7 кН/м3;
Ф' = 30°; е'=0; 6^ = 2/ЗФг; £^ = 0,279 (см. табл. 1.7).
Для второго слоя:
Н2 -—1,00 до -8,00 т; рп~ 1,76 т/м3; pg = 17,6 кН/м3;
Ф' = 35°; с' = 0; 6д=2/ЗФ'; =0,224 (см. табл. 1.7);
^ = -1/2Ф'; X^7 = ^ycos6^= 0,674-10,2-0,954=6,559 [см. (1.22) и табл. 1.9],
Решение. Давление грунта определяется по уравнениям разд. 1,4,2.1. Расчетная
схема изображена на рис. 4.21. Положение точки нулевого затружения определяет-
ся по уравнениям (4.2) и (4.3) :
>:'rh % - ^=6.559/13-0.224 = 4>15;
едг, „ 13,88
ц = _.^ =------= 0,19 м.
РА 17’6
Расчет значений = и Gi=MN «иже:
Eahi* кн/м м ЕМаГ кН
1=1 2,69 2,79 7,51
г = 2 2,32 2,52 5,85
1= 3 11,96 1,19 14,23
(= 4 7,90 0,86 6,79
1=5 1,32 0,12 0,16
— 26,29 кН/м; = 34,54 кН-м/м.
Определим всопомогательныевеличины т ил по (4.5) :
t t-
Величина z определяется по номограмме (см. рис. 4.20,а):
= 1,90 м.
Тогда необходимое заглубление подошвы шпунтовой стенки по (4.7) :
Гд =0,19+1,20-1,90 = 2,47 м.
141
Определим точку нулевого значения поперечной силы по (4.8):
/ 2-26,29
m V 17,6-4,15
= 0,85 м.
Максимальный момент по (4.9):
MF = 26,29 (1,31+0,85) - 1/6-17,6-4,15-0,85 3 =49,31 кН-м/м.
Примечание. При использовании приведенных в табл. 3.3 формул и номск
граммы (см. рис. 3.32) принимаются максимальные значения для данных условий.
Метод Блюма неприменим для расчета слоев грунта, находящихся
ниже точки нулевого загружения стенки. В этом случае более целесооб-
разно графическое решение.
Идеальная эпюра напряжения вначале рассчитывается, а затем изоб-
ражается графически. Для определения отпора грунта определяют теоре-
тическое значение t, лежащее в пределах t = 1 Д..2,0Л. Положение точки
нулевого заглубления определяется при этом расчетным путем. Ордина-
ты давления грунта изображаются в удобном для построения масштабе.
Так как значения ^,п° отношению к весьма значительны, то они
показываются на схеме общего загружения в уменьшенном масштабе.
Положение нагрузки С определяется на рис. 4.22 построением линия/
моментов. Таким образом получают значение необходимого заглубив*-'
ния шпунта в грунт и максимально возможное значение изгибающего
момента, действующего на стенку. <
Для получения результирующей эпюры моментов строятся эпюры/
моментов для каждого отдельного слоя грунта. Полная эпюра деист* л
вующих нагрузок для этого слоя строится по полученным значениям/
сил. Затем строится эпюра действующих моментов. Точка пересечения /
нулевой линии с линией моментов позволяет определить положениеД
точки С. Таким образом определяется положение точек t или Так /
как значение С соответствует идеальному загружению, для практическо й
го определения значения ^используется выражение
/^ = г/+ 1,2/q . g
Максимальное значение момента, действующего по высоте стенки^
определяется по формуле
'MF =^тах> (4.11) J
где Лтах определяется по эпюре моментов для данного сечения с учетом приня<|/
того масштаба. '4.
4.3.3. Защемленная в грунте стенка с одной распоркой представляет^
собой статически неопределимую расчетную схему, при расчете которой^
должна учитываться неподвижность точки опоры. Однако это условиеЦ
обычно является невыполнимым, так как применяемые анкера или рас*1
порки являются в достаточной мере гибкими элементами, вследствие^
чего возможно изменение положения стенки и в результате изменение 3
давления грунта. Возникающие в этих условиях эпюры давления грунта |
являются комбинациями приведенных на рис. 1.16 расчетных эпюр- J
Кроме того, могут наступить еще и дополнительные перемещения грунта-!
и стенки (см. разд. 4,3.1). ja
142
р,*Н/м*
я?
/И' Л7 27
J
7777
ЛИНИЯ МОМЕНТОВ
lw
f»E
5г,Л,$
14
15
о
_о
’ 6-
^6
Л» *
18
о
14
8 5 Ю 15 20кН1м
8 1 2
ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА
3 " ~&КН!м
ОТПОР ГРУНТА
tfА . л
12 5 4 5 6
3 кН
w
Гкс. 4,22. Графическое исследование защемленной в грунте шпунтовой стенки
без дополнительных опор
В этих случаях целесообразно принять для расчетной схемы более
простые расчетные эпюры. Рассчитанные по эпюрам на рис. 4.23 давле-
ние и отпор грунта соответствуют действительным нагрузкам в пределах
между поверхностью земли у кромки котлована и точкой нулевого
загружения стенки. Если же расчет производится более простым спосо-
бом с использованием прямоугольных эпюр, то необходимо увеличить
действующие в анкерах или распорках силы для уменьшения моментов
в стенках. Поправочные значения в этих случаях должны быть получены
Рис. 4.23, Защемленная в грунте шпунтовая стенка с одной дополнительной опорой
а - расчетная схема; б — эпюра давления и сопротивления грунта; в — схема на-
грузок; г - эпюра поперечных сил; д - эпюра моментов
143
по данным, приведенным в работе [208]. Более подробно этот вопрос
рассматривается в работе [42].
В расчетах стенок с распорками и анкерами учитываются силы сцеп-
ления грунта. В этих случаях могут использоваться данные, приведенные
в разд. 1,4.2.1.
Для расчета шпунтовых стенок в однородных грунтах ниже точки ну-
левого нагружения стенки может также использоваться теория Блюма.
В этом случае используются те же формулы и рекомендации, что и для
случая консольных стенок. По этому же методу определяется положение
нулевой точки, давление и отпор грунта. Эпюры давления грунта затем
пересчитываются в прямоугольные эпюры.
Для определения положения точки и значения t используются приве-
денные в разд. 4.3.2 зависимости, а также величины, входящие в форму-
лу суммы моментов = 0.
В используемые уравнения моментов вводятся вспомогательные зна-
чения £ = t т и п . В результате получаем
V J
£3 (0,8g2 + 2,5? + 2) =me(l + ?)2 - n£.
Здесь
6
пт —--*---
e p*W
aC"ha
С E ahiai
P^rh
(4.12)
(4.13)
Для случая прямоугольной эпюры давления грунта
е P^rhhs3
Вспомогательная величина п& записывается следующим образом;
а- = й
6 U. S Г 3 _ 6Ме
"е- p*W £ ~р^1
=0
(4-14)
Для прямоугольной эпюры нагрузки
n = =______3edi___
е spsW5 №'fhh'S
По номограмме (см. рис. 4.20,6) для найденных значений т& и пе
определяют значение £ и тогда для Го имеем выражение
/омй;. (4-15)
Таким образом полная глубина погружения шпунта в грунт состав-
ляет
Гл«и+1,2Г#. (4.16)
144
Действующие на стенку по ее длине нагрузки получают из следующих
выражений:
1 F f о /417Л
А~ Е Ем Й- + Го Е мч б(л;+/0)‘ (’ }
агЧ “i= As
Верхнее положение точки нулевой загрузки стенки от действия попе-
речной силы при применении прямоугольной эпюры полезной нагрузки
определяется по
< = ^eah. (4-18)
Максимальный момент в точке *о равен
1Ир = Л(^/2-йа). (4.19)
Действующий на стенку момент в точке крепления подпорки или анкера
MA=-^eahhla- <4-2°)
Положение нижней точки нулевого значения поперечной силы определя-
ется из выражения
" psK'rh
Момент М при применении прямоугольной эпюры определяется из
выражения
^ah^^+xu^ хп) А)хи-
При общей величине эпюры нагружения
2e~^s 7? У” ^ahiai‘
Если ниже точки нулевой нагрузки на шпунтовую стенку грунт не
однороден, положенные в основу метода Блюма положения не дейст-
вительны. В этих случаях необходимо использовать методику расчета,
приведенную в работах [41, 96].
При соблюдении условия равенства нулю суммы вертикальных сил
S V = 0 используются примечания, приведенные в разд. 4.3.2.
Пример. Применим рассмотренный в разд. 4.3.2 пример для случая защемлен-
ной шпунтовой стенки с одной распоркой (анкером). Высота установки распорок
или анкеров принимается 0,4 м ниже поверхности земли, т.е. h = 0,4. м. Угол тре-
ния стенки 6 = -Ф72 сохраняется. Величины давления грунта определяются по
эпюре (см. рйс. 4.21).
Решение. Средняя величина давления грунта
SF 26,29 2
е . =------=-. 8 24 кН/м2.
ah I 3,19
10—749
145
Найдем значение вспомогательных величин те и по (4.13) и (4J4)
°Г-Ав
£ £M“i=eah(f,s~im "EahVll~h^ = 26,29(3,19/2-0,40) =31,42 кН;
аГ^
т = —^Дх*?--------=0,119;
е 17,6-4,15-2,79’
",=\
Е EMei "eahf!s,'h'sl2y3 =8,24(2,79'|/в) =62,41 кН м2.
«1=0
е 17,6-4,15-2.795
Для этих значений по номограмме на рис. 4.20.6 определяем величину £ = 0,40 и,
таким образом,
Го =0,40'2,79 = 1,11 м.
Необходимая глубина забивки шпунта
^=0,19+1,2-1,11 = 1,52 м.
Величина нагрузки на распорку или анкер по (4.17) будет равна
А = 26,29 ------1---- 31,42 ---*2£Ч15-_1Д1 = $ r
2,79 + 1,11 6(2,79 + 1,11)
Положение максимального изгибающего момента определяется из уравнения
(4.18):
' _ 13,96 <о
Хо -^24— 1’69м-
Значение максимального изгибающего момента определяется по (4.19):
Мр = 13,96(1,69/2-0,40) =6,21 кНм/м.
Момент в точке установки распорки (анкера) определяется по уравнению (4.20) :
Мл = -1/2-8,24-0,402 = —0,66 кН-м/м.
Положение нижней точки, в которой поперечная сила будет равна нулю, определяй
ется из выражения
хи
2^29-13,96) м
17,6-4,15
Момент защемления определится как
Ми = 26,29 (3,19/2+0,58) -13,96 (2,79+0,58) -1/3 (26,29-13,96)0,58=7,75 кН-м/м.
Усилие в распорке и изгибающий момент затем корректируются с учетом по-
правочных коэффициентов для рассматриваемого случая.
1
146
4.3.4. Шпунтовая стенка, свободно расположенная в грунте с одной
распоркой. В случае рассмотрения свободно расположенной в грунте
шпунтовой стенки с одной распоркой нагрузка от давления грунта обоз-
начается символом А, а от отпора грунта — К Получаем статически оп-
ределимую систему на двух опорах. В этом случае легко рассчитать ми-
нимальное значение необходимого заглубления шпунта в грунт. Такая
схема может быть принята для расчета грунта повышенной несущей
способности.
Сравнительные расчеты показывают, что каких-либо принципиальных
различий в распределении давления грунта в случае защемления шпунта
или его свободного погружения нет. В связи с этим для рассматривае-
мого случая остаются справедливыми ранее приведенные выражения
для определения распределения давления грунта (см. разд. 4.3.3).
Незащемленная шпунтовая стенка погружается в грунт на глубину,
при которой крутящий момент от давления грунта в точке приложения
нагрузки А уравновешивается отпором грунта. Условие = 0 позво-
ляет определить значение усилия Д a = 0 — усилие Л.
Действующая на длине шпунта нагрузка В определяется в соответст-
вии с рис. 4.24 при условии принятия прямоугольной эпюры давления
из следующего выражения:
В = Eah / (Ч + о > * <4’21>
Величина нагрузки В для обеспечения необходимой устойчивости и на-
дежности принимается с учетом коэффициента запаса прочности ij .
В этом случае для суммы всех действующих сил может быть записано
_ ar-ha
^ah ~ ^ahr
'Г*',
Для определения значения t может быть записано выражение
Рис. 4.24. Шпунтовая стенка, свободно заделанная в грунте с одной дополнительной
опорой
147
^ah^2 ^й)/(^+0>60го) Eplr^p
+ 2etJ^^hr
(4.22)
Однако в этом случае значение f определяется неоднозначно и уравне-
ние может быть решено итерацией.
Значение t может быть также получено по ранее приведенной номо-
грамме (см. рис. 4.20,н). Для этого необходимо вычислить значение
вспомогательной величины
_____6________ar~hc Ше_
PSKrhh? £ PgK’rhh's
a- = h
По номограмме определяем £ и вычисляем значение t
Нагрузка А может быть определена из равенства 277 = 0
ah-B
(4.23)
Положение максимального момента (см. рис. 4.24) :
^=^аА- (4.24)
Значение максимального момента составляет
М-5 (0,60г + 0,50х ).
F 4 О О7
Момент сопротивления определяется по формуле
MA--^ahha-
(4.25)
(4.26) ’
Необходимая глубина погружения шпунта в грунт ниже отметки дна
котлована определяется из выражения
Гд =« + Г0. (4.27)
При расчете шпунтовой стенки с распоркой по прямоугольной эпюре
нагрузки значения действующих сил и моментов вычисляются с учетом
поправочных коэффициентов, принимаемых по данным работы (208]:
А'^АуДЩ. -Q'^QA’/A; M'F=Mpy/t^]h . (4.28)
При расчете незащемленных в грунте шпунтовых стенок необходимо
соблюдение равенства 2 Г7 = 0. Значение коэффициента q опредеделя-
ется по (3.47) и (3.48), сопротивление шпунта A~ по (3.48). Сила
трения поверхности стенки принимается равной qr = 60 кН/м2 [42] и в
соответствии с этим значением принимается значение вертикального со-
противления грунта со стороны котлована.
Пример, Применим рассмотренный в разд. 4.3.3 пример для неэащемленной
шпунтовой стенки с одной распоркой.
148
Из (4.22) определим г
26,29 (3,19/2-0,40)/2,79+0,60rQ = 17,6-4,15f2/2 =0,53 м.
Найдем вспомогательную величину т?
т - —= 0,119.
е 17,6-4,15*2,793
По номограмме (см, рис. 4.20,в) = 0,158, откуда =0,188*2,79 = 0,52 м.
Величина усилия В по (4.21) определится как
В =26,29 (3,19/2 -0,40) /(2,79+0,60*0,5 2) =10,13 кН/м.
Коэффициент безопасности
1? =ЕрЬ/В = 1/2рп^КгкР0 /В = 1/2-17,6 (6,559-0,224) 0,522/10,13 =1,49.
Сил а Л, определяемая по (4,23) и (4.28), будет равна
А =26,29-10,13 =16,16 кН/м;
АГ=А\Д/К = 16,16\Ал9/2,79 = 17,28 кН/м.
Максимальный момент определим по (4.24) и (4.25) :
хо = В / eah = 1 °-13/8,24 = 1,23 м;
= 0,13(0,60*0,52+0,5-1,23) =9,39 кН-м/м;
м' =MP\/h' /И = 9,39*^2,79/3,00 = 9,06 кН-м/м.
J* -ID
Момент сопротивления
Мл = -1/2е ьй2 =-1/2-8,24*0,402 =-0,66 кН-м/м.
А ап а
Полная величина заглубления шпунта ниже отметки дна котлована будет равна:
= н+ / = 0,19+0,52 = 0,71 м.
и
Примечание. Расчет может быть также проведен по формулам (см. табл.
3.3) и номограмме (см- рис. 3.32).
4.3.5. Шпунтовая стенка с многоярусными распорками (анкерами).
При разработке глубоких котлованов в ряде случаев необходимо уст-
ройство нескольких рядов подпорок по высоте стенки, в результате
чего стоимость крепления значительно возрастает. Поэтому в большин-
стве случаев идут по пути усиления сечения металлического профиля
шпунта, с тем чтобы обойтись одним рядом распорок или анкеров.
Шпунтовая стенка с многочисленными распорками по высоте может
быть рассчитана как стенка с непрерывной по высоте опорой. Для случая
незащемленного положения шпунта необходимая глубина погружения
уменьшается и должна определяться расчетом. Величина действующего
на шпунтовую стенку давления в этом случае может быть определена
но зависимостям, приведенным в разд. 3.3.5.5. При расчетах необходимо
учитывать, что действующие на стенку усилия должны определяться с
учетом коэффициента безопасности т? по отношению к величине сопро-
тивления грунта. Расчеты действующих усилий производятся с учетом
распределения давления (см. рис. 1.17).
149
Для наиболее важных случаев получены теоретические и графические
решения задачи [72]. В этой книге для облегчения расчетов приводятся
табличные данные, диаграммы и др., позволяющие рассчитать стенки с
двойными верхними распорками, анкерами и верхним защемлением для
случаев защемленного или свободного положения их нижней части.
При трех и более точках опоры необходимо учитывать незащемлен-
ную свободную часть шпунта в грунте.
4.4. МЕТОДЫ ПОГРУЖЕНИЯ ШПУНТОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Выбор машин и оборудования для забивки шпунтовых элементов
в грунт определяется геологическими условиями строительной площад-
ки и способом производства работ. При выборе способа погружения
шпунта учитывают технические характеристики установок по их забив-
ке, характеристики грунта, условия строительной площадки, конструк-
тивные особенности применяемого способа крепления стенок котлована,
объем предстоящих работ и сроки их выполнения.
4.4.1. Виды копров. Копер для забивки шпунта или свай состоит из
следующих элементов: 1) несущая конструкция; 2) оборудование для
погружения шпунта (сваи); 3) агрегат привода установки; 4) вспомо-
гательные механизмы.
Копры используются для забивки или выдергивания шпунта или
свай, установки и удержания их во время забивания, а также в качестве
направляющих при перемещении сваебойных молотов. Простейшей
конструкцией копра является рама, перемещаемая по рельсовому пути
как при забивке на суше, так и на водной акватории с плавучих средств.
Конструкция копра предусматривает возможность выполнения следую*
щих операций: перемещение копра, поворот его относительно вертикаль-
ной оси; наклон рамы вперед, назад и в сторону; подъем сваебойного
молота и забиваемых конструктивных элементов и перемещение уста-
новки с места на место. Целесообразно использование в качестве копро-
вой установки кранов, экскаваторов, гусеничных тракторов. Это позво-
лит осуществлять перестановку копрового оборудования наиболее прос-
тым способом (рис. 4.25).
В зависимости от принципа действия копровое оборудование подраз-
деляется на несколько типов.
1. Подвесные сваебойные молоты. С помощью гидравлических, паро-
вых, дизельных или электрических механизмов молот поднимается ло
направляющей раме вверх и затем свободно падает под действием соб- ;
ственного веса на оголовок забиваемого элемента. Частота ударов при
забивке этим способом не превышает 10 ударов в минуту.
В большинстве случаев такие механизмы навешиваются на пере- :
ставляемые рамные конструкции или закрепляются на кранах и экска-
ваторах.
2. Паровоздушные молоты, закрепляемые на направляющих рамах. В '
этом случае молот с паровым или пневматическим механизмом подъе-
ма работает в полуавтоматическом режиме. Цилиндр действует в каче-
стве ударника. Направляющая насаживается на оголовок забиваемого
шпунта или сваи. Высота падения молота может изменяться в пределах
высоты цилиндра забиваемого устройства, частота ударов варьируется
в пределах от 30 до 60 в минуту.
150
Рис. 4.25. Установка для забивки шпунта на гусеничном ходу [б 7]
а - стрела крана с навешенным устройством для забивки шпунта: 1 - копровая
стойка; 2 - направляющие; 3 - ролик для троса; 4, 5 цилиндры для управления
наклоном и поворотом копровой стойки; 6 — стрела крана; б — установка для
забивки шпунта, смонтированная на тракторе: 1 - копровая стойка; 2 - гидравли-
ческий цилиндр для изменения наклона копровой стойки; 3 — трос для подъема
и удержания сваи; 4 - опора с роликом для троса; 5 - дизель-молот; 6 - оголо-
вок; 7 — консольная балка с роликом для троса; 8, 9 — устройство подъема или
опускания дизель-молота; 10 — опора для транспортировки копровой стойки;
11 — противовесы
3. Дизель-молоты, Корпус цилиндра, в котором перемещается пор-
шень, передвигается по двум направляющим и ударяет по забиваемому
элементу нижним торцом, под который на оголовок забиваемой сваи
или шпунта подкладывается специальная промежуточная плита. Подъем
цилиндра в верхнее положение происходит за счет происходящих в ци-
линдре взрывов горючей смеси. Взрыв смеси в цилиндре и удар поршня
по оголовку забиваемого элемента происходят практически одновремен-
но. Число ударов может достигать от 40 до 100 в минуту (рис. 4.26).
Другой тип дизель-молота показан на рис. 4.27.
151
Рис- 4.26. Дизель молот системы профессора Зайди •
1 — сопла вспрыска; 2 — цилиндры; 3 — насос,
обеспечивающий вспрыск; 4 - верхняя траверса; 5 -
цилиндр; б - соединительные трубчатые стойки; 7 —
воспламенитель; 8 - опрокидывающий рычаг; 9 -
нижняя траверса; 10 — ударник
4. Быстродействующий ударный механизм. В этом случае цилиндр
закрепляется непосредственно на забиваемом шпунте или свае (рис.
4.28). Поршень молота при помощи пара или сжатого воздуха переме-
щается вверх-вниз. В этом случае удар на сваю происходит дважды —
как при подъеме, так и при опускании поршня. Частота ударов при
этом достигает от 100 до 230 в минуту. Молот устанавливается на любых
несущих конструкциях, рассмотренных выше. Кроме того, в ряде случа-
ев возможна свободная подвеска на тросе.
5. Вибромолот с электрическим приводом. Система шестерен или ре-
менных передач передает крутящий момент с электродвигателя на вра-
щающиеся в противоположных направлениях несбалансированные ма-
ховики. Эффективность действия такого механизма сильно возрастает
в тех случаях, когда частоты собственных колебаний вибрационного
молота и забиваемой сваи или шпунта близки, вследствие чего возника-
ет явление резонанса. Вибратор, электродвигатель и подвешенные неурав-
новешенные массы могут представлять собой либо единую конструк-
цию, жестко соединенную в одно целое, либо две части, между которыми
располагаются промежуточные пружины (рис. 4.29). В первом случае
амплитуда колебаний вибратора не регулируется в зависимости от соз-
даваемого вертикального усилия и, кроме того, не изолированный от
колебаний электродвигатель подвергается сильному износу. Во втором
случае привод и опорная его часть в значительной мере свободны от
этого недостатка, что существенно увеличивает срок их эксплуатации.
6. Виброударный молот. Эта конструкция отличается тем, что кроме
вибрационного воздействия на забиваемый элемент создает ударную
нагрузку. Разработано несколько способов закрепления вибрационных
молотов к забиваемым сваям или шпунтам (один из них показан на
рис. 4.30). Приводом этого механизма может служить как электродви-
гатель, так и механизм взрывного действия. Частота ударов варьируется
152
Рис. 4.27. Дизель-молот
а — разрез и общий вид устройства; б — схема работы; Т — подъем ударного
устройства; И — падение ударного устройства и последующий вспрыск горючего
в сферическое дно цилиндра; Ш — сжатие смеси и удар ударника по взрывателю;
ТУ ~ воспламенение горючего и подъем ударного устройства (поршня); 1 — рабо-
чий цилиндр; 2 — направляющий цилиндр; 3 — поршень; 4 — подвижная часть
ударника; 5 — насос для вспрыска горючей смеси; 6 — емкости для горючего;
7 - отверстия для отвода газов; 8 — скользящая направляющая; 9, 10 — упоры;
11 — закрепляющие опоры; 12 — подвески
от 450 до 1500 в минуту. Конструктивная схема молота приведена на
рис. 4.31.
При применении свободно падающих забивающих устройств или
механизмов вибрационного действия для предохранения оголовка
применяют специальные прокладки, закрепляемые на оголовке сваи.
Они обеспечивают более равномерную передачу усилий, распределе-
ние напряжений в свае или шпунте при забивке и должны по возмож-
ности более плотно охватывать оголовок забиваемого элемента. Между
металлической частью насадка, часто выполняемого из литого металла»
и оголовком сваи подкладывается прокладка из мягкого дерева. Верх-
няя часть, как это показано на рис. 4.32, выполняется в виде цилиндри-
ческого стакана из дерева твердых пород. Обе деревянных прокладки
укладываются таким образом, чтобы направление их волокон совпадало
с направлением ударов механизма забивки. При забивке металлических
153
Рис. 4.28. Быстродейству-
ющий молот
1 — цилиндр; 2 — уп-
лотнения поршня; 3 —
поршень; 4 — опорная
плита; 5 - элементы для
присоединения к раме за-
бивного устройства; 6 -
крышка; / — стяжные
болты; 8 - регулирующий
вентиль; 9 — вентиль для
регулирования подачи па-
ра; 16 — устройство для
подвески к механизму
Рис. 4.29. Конструктивная схема вибропогружателя
а - вибропогружатель с жестко закрепленной
дополнительной массой; б — вибропогружатель с
дополнительной массой, закрепленной на пружи-
нах; 1 “ электродвигатель; 2 — вибратор; 3 — на-
садка; 4 - присоединяемые грузы; 5 - пружины
профилей или трубчатых свай применяются специальные насадки, про-
филь которых совпадает с профилем забиваемой конструкции.
При тяжелых условиях забивки (применение свободно падающих
забивных устройств) на насадку сверху накладывается металлическая
плита толщиной 20—30 мм, которая во избежание смещения при за-
бивке закрепляется на центрально расположенном штыре.
4.4.2. Производство работ по забивке свай. Эффективность работ по
забивке шпунта и свай в значительной мере зависит от качества выпол-
нения подготовительных работ, к которым относятся:
154
Рис. 4.30. Конструктивная схема работы вибропогружателя
а - свободно установленный вибропогружатель; б — вибропогружатель, соеди-
ненный с забиваемой конструкцией (сваей или шпунтом) ; в, г — вибропогружа-
тель с дополнительным пружинным закреплением к основанию; 1 — вибратор;
2 - забиваемый элемент; 3 — пружинная система; 4 - насадка; 5 ~ предваритель-
но напряженные тяги, соединяющие вибратор с насадкой; Q — прикладываемое
усилие
Рис. 4.31. Вибропогружатель
1 - вибратор с электроприводом;
2 - ударник вибратора; 3 - наковальня
ударника; 4 — насадка на забиваемый
элемент; 5 - верхние рабочие пружины;
6 - нижние рабочие пружины; 7 - тяга,
8 - устройство для натяжения пружин;
9 - соединительный элемент; 10 -
ударник
Рис. 4.32. Насадка, применяемая
при забивке железобетонных спай
1 - стальное кольцо; 2 - про-
кладка из дерева твердых пород;
3 — насадка из стальной отливки;
4 — прокладка из дерева мягких
пород; 5 — забиваемая свая или
шпунт; 6 — устройство для наве-
шивания насадки
а) устройство рабочей площадки, на которой будет перемещаться
используемый при забивке механизм;
б) укладка на деревянные или металлические шпалы рельсов, по ко-
торым будет происходить перемещение копра;
в) устройство специальных опорных конструкций при выполнении
работ на слабых грунтах или на водных акваториях (рис. 4.33);
г) изготовление специальных передвижных опорных рам на колесном
ходу, перекрывающих участки, на которых недопустимо опирание
копра (рис. 4.34).
Выбор несущей конструкции для размещения копра зависит от мест-
ных геологических условий, типа используемого копра и других конк-
155
Рис. 4.33. Специальные опорные конструкции для копрового оборудования
а - при установке на откосах; б - при установке на эстакаде над подверх-
ностъю воды; 1 — баба; 2 — направляющие; 3 — шпунт; 4 — хомуты; 5 —
направляющая стоика; 6 — несущая конструкция
ретных местных условий. При этом в большинстве случаев необходимо
произвести сравнение двух или более различных вариантов. Определя-
ющими критериями при выборе основного варианта являются: а) проч-
ность и устойчивость положения копра; б) точность установки направ-
ляющей копра; в) обеспечение центрального приложения ударной на-
грузки; г) возможность обеспечения постоянного контроля за положе-
нием копра и других элементов; д) перемещение элементов копра без
недопустимых колебаний и отклонений от необходимого направления.
При производстве работ в сложных условиях^ например, на отко-
сах, в сильно водонасыщенных грунтах и др., копер должен устанав-
ливаться на специальной несущей конструкции. Для этого до настоящего
времени широко используются различные деревянные конструкции^
Для расширения площади захвата копрового оборудования применя-
ются различные поворачивающиеся конструкции, допускающие удлине-
ние направляющей вниз с целью обеспечения забивки шпунта или сваи
заподлицо с дневной поверхностью или поверхностью дна котлована.
Забиваемые конструкции (например, сваи) доставляются к месту
забивки различными видами транспорта (рис. 4.35). Они поднимаются
156
Рис. 4.34. Копровая установка на передвижной рамс
I - передвижная рама; 2 - тележка; 3 - мачта; 4 - рельс для перемеще-
ния рамы; 5 — приспособление для закрепления вибромолота; 6 - вибромо-
лот; 7 - устройство для фиксации положения забивного механизма; 8 -
электропривод для перемещения рамы
в вертикальное положение с помощью траверс и закрепляются к коп-
ру. Направление направляющей рамной конструкции копра должно со-
ответствовать направлению забивки сваи. Фиксация направления за-
бивки шпунта или сваи обеспечивается (рис. 4.36), с одной стороны,
рамой копра и, с другой — заделкой забиваемого элемента в грунте
(рис. 4.37).
Направляющую раму устанавливают в том случае, если шпунтины
при забивке должны входить одна в другую (например, при забивке
железобетонных шпунтовых стенок). Если в последующем предусмат-
ривается их извлечение, то в 250 мм от верхнего конца шпунта предус-
матриваются специальные отверстия.
В тех случаях когда размеры сооружаемой шпунтовой стенки жест-
ко заданы, устанавливают направляющую раму. Для точного определе-
ния положения стенки через определенное расстояние заранее забивают-
ся направляющие шпунты. После этого производится забивка осталь-
ных элементов.
Внезапное уменьшение глубины погружения скорее всего является
результатом того, что шпунт натолкнулся на какой-либо предмет, чаще
всего камень. В этом случае начинается забивка следующего шпунта
на полную глубину. Как правило, после этого удается несильными час-
тыми ударами расколоть камень или несколько отжать его в сторону
и забить предыдущий элемент на необходимую глубину. Этим способом
в большинстве случаев удается избежать скручивания забиваемого
шпунта.
157
Рис. 4.35. Доставка железо-
бетонных свай к месту их за-
бивки
Рис, 436. Забивка железобе-
тонной сваи
Рис. 4.37. Направляющая рама для фиксации положения забивае-
мого шпунта
1 - поперечные скобы; 2 - фиксатор расстояния между
направляющими
Шпунтовые стенки на водной акватории чаше всего сооружаются
со специальных эстакад, по которым перемещается копер с места на
место в процессе забивки. Возведение эстакад производится с плавучих
средств, с которых вначале забивают опорные сваи. При этом необхо-
димо следить за тем, чтобы опорные сваи располагались на достаточ-
ном расстоянии от будущей шпунтовой стенки. Это необходимо для то-
158
Рис. 4.38. Универсальная установка
для погружения свай на понтонах
J - понтоны; 2 — наклонные
сваи; 3 — песок; 4 — мергель
го, чтобы процесс забивки шпунта не вызвал деформации положения
опорных свай и разрушение эстакады.
При создании шпунтовых перемычек на свободной акватории исполь-
зуются копры, устанавливаемые на плавучих средствах. Этот вариант
применяется в тех случаях, когда сооружение неподвижной эстакады
или технически невозможно, или экономически неоправдано. При забив-
ке с плавучих средств используются баржи или понтоны (рис. 4.38).
Перед началом работ по сооружению шпунтовой стенки составляется
план, на котором показывают точное положение всех шпунтовых эле-
ментов, место начала работ и путь перемещения копра. Перестановка
копра должна производиться в соответствии с планом. При сооружении
замкнутых котлованов и шпунтовых стенок из начального положения
копра должна производиться забивка не менее двух элементов, распо-
ложенных в направлении продольной стенки. При этом необходимо
обратить особое внимание на их положение, так как в дальнейшем от
этого зависит возможность выполнения угловых соединений.
Металлические шпунты, имеющие замок (например, профили Лар-
сена), должны забиваться выступающим замком вперед. На рис. 4.39
показан замкнутый котлован, оконтуриваемый шпунтовой метелличес-
кой стенкой. Двойной шпунт прокатного профиля забивается в грунт
довольно трудно.’ Поэтому лучше производить забивку единичного эле-
мента, зацепив его за ранее забитый на небольшую глубину. Это позво-
ляет обеспечить высокое качество работ и их большую надежность.
159
В ходе выполнения работ по забивке шпунта ведется специальный
журнал, в который заносят ход выполнения работ. Форма журнала про-
изводства работ приведена в табл. 4.1,
Таблица 4.1
Журнал производства работ
Объект Место расположения стройплощадки
Способ забивки Направляющая копра
Масса сваебойного молота, кг 1 цикл -10 ударам Высота падения, м
№ Дата Шпунт, № Длина шпунта Попереч- ное сече- ние Погруже- ние за по- следние три цикла, см Полное по- гружение шпунта Приме- чания
фак- тичес- кое, см про- екти- руе- мое, см
При выполнении работ в несвязных грунтах более целесообразно
применение копров с быстродействующими молотами (например,
вибрационными). Частые удары способствуют разрыхлению несвязного
грунта, уменьшают силы трения между отдельными его зернами и мате-
риалом шпунта и тем самым снижают силы сопротивления грунта забив-
ке. При этом не следует допускать перерывов в забивке, так как в это
время происходит стабилизация положения частиц грунта и при после-
УГДО&АЯ ШПУНТОВАЯ
СВАЯ А
Рис. 4.39, План шпунта для ограждения котлована [48]
7 ~ согнутая под 90° одиночная свая
160
пующем возобновлении работ возникает дополнительное сопротивление
□пусканию шпунта.
В случае связных грунтов более эффективно применение тихоходных
механизмов, так как в этом случае опусканию шпунта противодейству-
т силы сцепления грунта, которые при применении, например, вибра-
ционных механизмов, не могут быть преодолены. При замедлении опус-
кания шпунта следует прервать процесс забивки на некоторое время.
Обычно после этого наступает период более интенсивного опускания.
Между массой подвижного элемента механизма, используемого при
забивке, и массой забиваемого шпунта рекомендуются следующие
соотношения:
w = (1...2)тн„ (свободнопадающий молот);
т = (0,4...0,8)/«~ (дизель-молот);
В л
т = (0Д..0,3)/и« (быстродействующий молот),
В л
где
- масса подвижной части бабы, —
масса забиваемого шпунта.
Вибрационный метод забивки шпунта имеет много общего с широ-
ко известным способом вибрационного упрочнения грунта. Приложен-
ные к шпунту вибрационные нагрузки передаются нижележащим слоям
грунта. Погружение шпунта в грунт происходит, когда вызываемые виб-
рацией силы преодолевают силы сцепления частиц грунта между собой
и опускаемым шпунтом, для чего создаемые амплитуды колебаний
должны быть больше определенной величины. При этом скорость опус-
кания забиваемого шпунта зависит от совокупности всех действующих
на нее сил. Возникающее сопротивление может оказаться столь боль-
шем, что опускание забиваемого шпунта прекратится. В этих случаях
целесообразно применение различных способов, облегчающих дальней-
ший процесс забивки шпунта в грунт. К ним относятся подмыв грунта;
предварительное бурение грунта; бурение, сопровождаемое промывкой
скважин; предварительное взрывание породы и применение различных
тиксотропных жидкостей, способствующих снижению сил трения.
Подмыв грунта является наиболее простым и потому широко исполь-
зуемым в практике способом повышения эффективности забивки
шпунта. На рис. 4.40 показана установка для подмыва грунта в месте
последующей забивки шпунта. Применение этого способа весьма эффек-
тивно для песчаных и пылеватопесчаных грунтов, тогда как для прочных
глин и грунтов с крупными включениями его применение является
бесполезным.
В процессе подмыва подаваемая под напором вода подводится к ост-
рию забиваемого шпунта. Завершающий этап забивки производится без
подмыва грунта. Насадки, по которым вода подводится к нижнему
концу шпунта, закрепляются на нем с одной или двух сторон и опуска-
ются в грунт вместе с ней. Насадки диаметром от 25 до 50 мм располага-
ются на расстоянии 6—12 м от конца шпунта, скорость выходящей из'
них струи воды va = 20...30 м/с.
При выборе типа насосной установки необходимо знать величину
эффективного напора и определить необходимую мощность и произво-
дительность насоса. Эффективный напор he определяется по формуле
=АД + Лг=^/^+АУ (4.29)
11-749
161
Рис. 4.40. Установка для предвари-
тельной промывки
где — скоростной напор струи, вытекающей из насадки; - потери напора на
трение по длине.
Мощность двигателя насоса, кВт:
Ле =Qhepwg/r)pt (4.30)
Где Q — расход воды, м3/с; hg - эффективный напор, м; pw - плотность воды,
т/м3; 1?^ — механический коэффициент полезного действия.
100
9$
I 80
6#
60
90
20
ж
- 95,6
•| 40
.ЛЛ
&
120
о
ДИАМЕТР
О Ю 20 50 90 SO
j_________L_
10
ПРИМЕР;
0Г//1
SO 60 70 80 90 100 110 I
/у, РАСХОД О. у3J
30 90
¥е=23*£
---Й 5/ f* I
^е^1Щ
20
о
8 О
0
МОЩНОСТЬ НАСОСОВ ПРИ ч= 0.5гкВг
Рис, 4.41. Диаграмма для определения эффективности подмыва
-------зависимость расхода от напора, развиваемого насосом;------— за-
висимость мощности насоса от развиваемого им напора
162
Связь между приведенными величинами можно проследить до рис.
4.41, причем приближенно развиваемый насосом напор принимается
равнымН 2ha-
4.5. МЕТОДЫ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ШПУНТОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
В том случае, если шпунтовые элементы не являются частью возводи-
мого фундамента, их извлекают из грунта для повторного использова-
ния. Методы извлечения ранее забитого шпунта и металлических профи-
лей более подробно рассмотрены в работе [83].
Повторное использование шпунта целесообразно в тех случаях, если
период между забивкой и извлечением не превышает двух лет и стои-
мость этих работ ниже стоимости новых конструкций.
Для извлечения забитых шпунтовых элементов применяются ста-
тические или динамические установки. Величина создаваемого усилия
определяется по следующему выражению:
?z = № (4.31)
где а — площадь поперечного сечения извлекаемого элемента, м ; р — сила трения
между поверхностью шпунта и грунтом, кН/м2.
В табл. 4.2 приводятся некоторые значения возникающих сил трения
между извлекаемыми элементами и грунтом с учетом продолжитель-
ности нахождения шпунта в грунте, полученные в СССР. Эти данные мо-
гут быть использованы только для расчета усилий при извлечении метал-
лических профилей; для железобетонных элементов приведенные в таб-
лице значения следует увеличить в полтора раза. В целом можно отме-
тить, что величина выдергивающего усилия зависит от площади попе-
речного сечения элемента, его длины, продолжительности нахождения
в грунте и характеристик грунта [38].
Продолжительность нахождения шпунта в грунте имеет существен-
ное значение в тех случаях, когда он был забит в рыхлые связные грун-
ты. Как показывает опыт, при нахождении профиля в грунте в течение
нескольких лет происходит прочное соединение прилегающих к метал-
лу частиц грунта с его поверхностью. В этих случаях возможно лишь
Таблица 4.2
Грунт о Удельное сопротивление трения, кН/м
при длительном на- хождении в грунте при кратковремен- ном нахождении в грунте
Песок
w<10% 20,0 10,0
w=10-16% 27,0 14,0
VV =Н’ 14,0 7,0
Песок, глинистый и средней плотности 20,0 10,0
Глина:
крепкая 27,0 10,0
пластичная 14,0 5,0
текучая 7,0 2,0
Илы 3,5 0,7
163
Рис. 4,42. Схематичный разрез дизельного сваевьь
дсргивателя
частичное извлечение профилей из грунта и соответственно снижается
экономический эффект от проводимой работы. Срок эксплуатации
шпунта оказывает также большое влияние на степень повреждения эле-
ментов коррозией вследствие влияния грунтовых вод. Для уменьшения
сил трения до начала работ по извлечению шпунта производят рыхление
грунта, что достигается ударным воздействием молота на шпунт или
сваю или кратковременной работой насаженного на ее оголовок вибра-
тора.
Рис. 4.43. Универсальный экскаватор типа. ИВ-80 с
навешенным вибрационным устройством [112]
164
В ряде случаев возникают осложнения в связи с сильно возросшими
усилиями в замках вследствие попадания в них частиц грунта, корро-
зии или деформаций шпунта. Для уменьшения этих усилий рекомендует-
ся смазывать внутренние полости замков жировыми смазками.
Большое влияние на величину подъемного усилия оказывают дефор-
мации шпунта (изгибы, скручивания), происходящие в процессе их за-
бивки. Поэтому при определении величин подъемных усилий большую
помощь может оказать журнал производства работ по забивке.
Работы по извлечению шпунта из грунта начинаются в том месте,
где ожидаются наименьшие осложнения при их проведении. Обычно
сначала извлекаются сразу два смежных шпунтовых элемента, так
как необходимое при этом подъемное усилие может быть меньше, чем
в замках отдельно извлекаемого шпунта. Конечно это положение верно
только для несваренных между собой элементов. Возможно также изв-
лечение отдельного шпунта. Оптимальный вариант при этом определяет-
ся пробным извлечением.
Величина подъемного усилия может быть значительно уменьшена,
если при бетонировании сооружения в котловане поверхность шпунта
и их замков изолируется от укладываемого бетона прокладкой слоя
бумаги или картона.
При статическом методе извлечение шпунта осуществляется грузо-
подъемными или гидравлическими механизмами, создающими направ-
ленное вверх усилие.
При динамическом методе используются вибраторы электрического
действия или дизельного привода (рис. 4.42). С помощью сжатого
воздуха создаются поперечные вибрации верхнего конца извлекаемого
шпунта, периодически заменяющиеся подъемным усилием. Вибраторы
и другие механизмы для подъема шпунта или свай могут подвешивать-
ся к стреле крана, экскаватора и др.
Как при статическом, так и при динамическом методах до начала
подъема к извлекаемой свае прикладывается начальное подъемное уси-
лие от 100 до 250 кН [112]. На рис. 4.43 показан универсальный экс-
каватор марки ИВ-80, оборудованный механизмом для извлечения
шпунта, в процессе извлечения стоек, между которыми были расположе-
ны горизонтальные элементы. Для проведения работ необходимо боль-
шое свободное пространство, в данном случае 12,0 м. Поэтому на стадии
проектирования необходимо предусмотреть возможность создания не-
обходимого свободного пространства для выполнения всех работ по
извлечению шпунтовых элементов.
При повышении скорости подъема возрастают прикладываемые уси-
лия, поэтому скорость извлечения не должна быть слишком большой.
Перед началом работ подъемный механизм должен быть надежно соеди-
нен со шпунтом.
165
ГЛАВА 5. ПОДЗЕМНЫЕ СТЕНЫ В ГРУНТЕ
В настоящее время этот тип крепления получает все большее распро-
странение особенно в условиях городской застройки. Возможности
его применения расширяются в связи с тем, что наряду с применением
монолитного бетона и железобетона широко используются сборные
бетонные и железобетонные строительные конструкции.
Стены в грунте могут быть различной в плане конфигурации. Они
используются не только в качестве стенок сооружаемых котлованов,
но и для повышения устойчивости откосов и защиты фундаментов уже
возведенных сооружений. Подземные стены в грунте по сравнению с
шпунтовыми стенками имеют несколько преимуществ. Их сооружение
не требует громоздкого строительного оборудования и не создает допол-
нительного шума и вибрации при производстве работ; стены в грунте
образуют водонепроницаемые завесы, что приводит к значительному
снижению расходов на водопонижение и водоотлив.
Работы по сооружению стенок в грунте могут выполняться высоко-
механизированной строительной техникой, что обеспечивает значитель-
но более высокую производительность труда по сравнению с другими
способами устройства ограждений котлованов. Другими преимущест-
вами этого вида сооружений является значительная экономия древеси-
ны, расход металла ограничивается анкерами.
Такие стены в дальнейшем остаются полностью в грунте и не подле-
жат извлечению, в связи с чем при проектировании они могут рассчи-
тываться на дополнительную полезную нагрузку как строительный
элемент фундамента или сооружения. На рис. 5.1 изображена галерея
теплотрассы, которая с обеих сторон образована стенками в грунте и
рассчитана на длительную последующую эксплуатацию в жилом районе
города. Отсутствие вибраций и значительное свободное пространство
вокруг создаваемой стенки позволяют сооружать стенки в грунте или
стенки из буронабивных свай вблизи действующих предприятий и соору-
жений.
5.1. КОНСТРУКЦИИ ПОДЗЕМНЫХ СТЕН
Стенки из набивных свай могут выполняться из отдельно стоящих,
примыкающих друг к другу или перекрывающих друг друга цилиндри-
ческих свай (рис. 5.2).
Отдельно стоящие сваи применяются для повышения устойчивости
грунта. Для закрепления грунта при отсутствии грунтовых вод чаще
применяются примыкающие друг к другу сваи. При наличии грунтовых
вод устраиваются стенки из перекрывающих друг друга свай, так как
они обладают повышенной водонепроницаемостью. При сооружении
таких стенок (см. рис. 5.2/з) в первую очередь пробуривают скважины
1, 3, 5 и т.д. и заполняют их бетоном. Сваи 2, 4, 6 сооружаются после
набора бетоном достаточной прочности. Так как это время зависит от
качества применяемого цемента, то в каждом конкретном случае необ-
ходимо проведение испытаний по определению необходимого перерыва.
Зона перекрытия свай зависит от характеристик грунта, глубины
забуривания, требований водонепроницаемости и обычно принимается
от 50 до 130 мм. При устройстве двух смежных свай диаметром 880 мм
расстояние между их центрами 750 мм.
166
Рис. 5.1. Стенка-прорезь, используемая для за-
крепления откосов котлована и стенок сооружае-
мого объекта
При сооружении стенок из отдельно стоящих или примыкающих
друг к другу свай важно точно определить положение каждой, при
перекрывающихся — положение возводимых во вторую очередь свай.
Расстояние между пробуриваемыми отверстиями фиксируется в про-
цессе бурения специальным шаблоном.
Для повышения статической устойчивости создаваемой стенки верх-
ние концы свай объединяются между собой железобетонными балками.
Это целесообразно особенно в тех случаях, когда для повышения общей
устойчивости стенки она заанкеривается в грунт. Предпочтение при этом
отдается анкерам инъекционного типа, так как их устройство не требует
дополнительных земляных работ. Анкера могут устанавливаться после
возведения конструкций и сооружений.
Рис, 5.2. Схема образования стенок из бу-
ронабивных свай
а - стенка из отдельно стоящих свай;
б ~ сгенкд из примыкающих друг к другу
свай; в - стенка из пересекающихся свай;
1, 3, 5, 7 - сваи первой очереди; 2, 4t 6 -
сваи второй очереди; г - угловой элемент
стенки
о , фЯ’'"
*—“—*
Л)
о
г)
167
9
Рис. 53. Конструкция жестких сплошных
стенок
с — план; 1 — стенка-прорезъ; 2 - стен-
ка из пробуренных свай; б — устройство
углов котлована: 1 — направляющая свая;
2 - сопряжение стенок врезкой; в - сече-
ние сплошных стенок, сооружаемых по-
этапно: 1 — несущие сваи; г - сечение
сплошной, последовательно возводимой
стенки; 1~У — последовательность one-
раций
V J '
^ПЭТАП
[mxxr wzMzkxxtf
Стенки из буронабивных свай могут сооружаться также с некото-
рым наклоном, при этом угол наклона зависит от применяемого строи-
тельного оборудования и его установки перед началом забуривания.
Стенки-прорези представляют собой выемку или траншею различ-
ной в плане конфигурации. Это может быть сплошная непрерывная стен-
ка, отдельные ее участки, ограниченные ранее установленными бурона-
бивными сваями, и их различные комбинации, как это показано на рис.
5.3.
По сравнению со стенками из буронабивных свай в стенках-проре-
зях применяются более длинные строительные элементы, требующие
меньшего числа перестановок оборудования, вследствие чего повышает-
ся производительность работ. В случае необходимости возможно обес-
печение полной водонепроницаемости стенки.
Стенки из монолитного бетона и железобетона применяются в зави-
симости от местных условий строительства и имеющихся материалов.
Бетонируется стенка участками длиной от 3,5 до 8 м.. Толщина стенки
колеблется от 0,4 до 1 м.
На рис. 5.4 показана железобетонная стенка, которая предназначена
для закрепления прямоугольного котлована и одновременно является
частью сооружаемой конструкции. Стенка была заанкерена за железо-
бетонную раму жесткости.
Характерной особенностью ’’стенок в грунте” является то, что устой-
чивость стен выемок и траншей обеспечивается заполнением их специ-
альными суспензиями с тиксотропными свойствами.
Конструкция и размеры подземных стенок определяются по реко-
мендациям, приведенным в работе [6], которые получены на основании
специальных исследований и имеющегося практического опыта их со-
оружения.
Стенки в грунте могут выполняться также из сборного железобето-
на — готовые элементы опускаются в отрытую трашею, заполненную
суспензией. Однако в этом случае сомнительно обеспечение полной во-
донепроницаемости стенки из-за негерметичности швов между отдель-
ными элементами и невозможности плотного прижатия элементов к
стенкам траншеи для передачи усилий на них. Поэтому щель между
168
Рис. 5.4. Заанкеренная стенка-прорезь с рамами жесткости
для закрепления котлована прямоугольного сечения
а — разрез; б — план; 1 — стенка-прорезь; 2 — проме-
жуточное перекрытие; 3 - анкер для закрепления стенки-
прорези; 4 - внешняя железобетонная рама жесткости;
J — паз для установки балок промежуточного перекрытия;
б - железобетонное основание; 7 - слои щебня; 8 - инъе-
цированное щебеночное основание; 9 - ниша для размеще-
ния конструкций основания; 10 — л аз в стенке для опира-
ния основания большого веса; 11 — приямок для насоса
ф 600 мм
грунтом и опущенным сборным элементом должна быть тщательно за-
полнена раствором или материалом, по прочности не уступающим тому
грунту, на который передается нагрузка от стенки.
В Советском Союзе были разработаны конструкции сборных плос-
ких элементов, которые обеспечивали точную установку и плотное при-
соединение к ранее установленным элементам. До их установки в тран-
шее насыпается гравийное основание, на которое опускаются сборные
элементы. Затем это основание заливается раствором, состоящим из сме-
си цемента и песка; цемента и глины или гравия, песка и глины. Верти-
кальные швы заделываются торкрет-бетоном или инъекцией со стороны
грунта [33, 66].
169
Рис. 5.5. Стенка в грунте, выполненная из
сборных железобетонных панелей с уголко-
выми металлическими направляющими и
скобами для соединения их между собой
J — скобы; 2 — направляющие из уголко-
вого профиля
Качество инъекции раствора между стенкой и грунтом повышается
в тех случаях, когда для этого используются специальные самотвердею-
щие растворы, обеспечивающие полное соприкасание поверхностей меж-
ду собой для передачи нагрузок. Самотвердеюгций раствор передает
давление грунта на элементы стенки, а собственный вес и дополнитель-
ные вертикальные нагрузки — на основание. Прочность раствора на сжа-
тие после его твердения от 0,5 до 0,6 кН/и2 [24 J. Прочность и продол-
жительность твердения раствора могут быть изменены в нужных преде-
лах яри помощи различных добавок.
Рис. 5.6. Несущая стенка в грунте из сборных железобетонных элементов
[241
I — грунтовый анкер; 2 — несущая Т-образная стойка; 3 — плоская
плита; 4 — направляющая стенка; 5 — глинистая суспензия; б — дно тран-
шеи; 7 — направление подачи суспензии для повышения прочности и жест-
кости грунта; 8 — заполнение траншеи суспензией в процессе выемки
грунта
170
На рис. 5.5 показана конструкция стенки из сборных железобетон-
ных панелей, соединение которых между собой производится по сколь-
зящим направляющим. Толщина плит от 250 до 400 мм при ширине
до 2 м. Стенки из сборных элементов сооружаются длиной до 25 м.
В статическом отношении такие конструкции соответствуют работе
шпунтовых стенок.
Особенностью конструкции стенки, изображенной на рис. ^.6, явля-
ется то, что вертикальные несущие элементы и располагаемые между
ними панели, образующие поверхность стенки, монтируются раздельно.
В этом случае вначале устанавливаются направляющие стойки, которые
опускаются в заполненную суспензией траншею и лишь после этого меж-
ду ними устанавливаются панели. После начала процесса твердения сус-
пензии стойки поднимаются вверх до положения, когда их нижний ко-
нец достигает отметки дна траншеи.
5.2. ТЕХНОЛОГИЯ СООРУЖЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ СТЕНОК
Сооружение стенок из буронабивных свай. Применение обсадных
труб в процессе забуривания скважин позволяет обеспечить более высо-
кое качество создаваемых стенок и их водонепроницаемость, делает
возможным их сооружение даже в весьма неблагоприятных геологичес-
ких условиях.
В ГДР в последние годы для сооружения стенок из буронабивных
свай используются установки Беното EDF-55 (рис. 5.7).
Установка массой от 34 до 35 т может пробурить скважины диа-
метром 2,4 и 6 м. Опускание обсадной трубы в грунт осуществляется
за счет дополнительного давления на нее. Выемка грунта из трубы произ-
водится при помощи грейфера марки СР 5, имеющего две чаши, кото-
рые фиксируются в открытом положении при перемещении в трубе и
способны производить выемку даже прочных грунтов. Внешний размер
грейфера составляет 750 мм.
После завершения процесса опускания трубы и выемки из нее грун-
та ее заполняют бетонной смесью (покачивая в обе стороны). Подъем
коротких труб должен начинаться лишь после заполнения их бетонной
смесью на всю высоту, а подъем длийных составных труб — когда бетон-
ная смесь заполнит хотя бы одну секцию трубы. Собственный вес уло-
женного бетона и непрерывное покачивание трубы способствуют уплот-
нению бетонной смеси и более плотному соединению ее с грунтом по ме-
ре подъема трубы.
Бурение скважин без обсадных труб в прочных грунтах возможно
без заполнения скважины буровым раствором, в неустойчивых грун-
тах необходимо применение специальных суспензий. На рис. 5.8 показан
процесс бурения скважины без обсадной трубы.
При использовании для обеспечения устойчивости стенок скважины
растворов грунт может извлекаться из скважины путем прямой или
обратной промывки. При первом способе раствор под давлением от 70
до 100 Н/см2 подается по трубе к основанию скважины, после чего
раствор с грунтом поднимается наверх и подается на специальные сита,
где очищается от частиц грунта и зате м повторно нагнетается в скважину.
Отделение грунта от раствора производится на виброситах.
При обратной промывке используется принцип отсоса. При помощи
специального центробежного насоса или сжатого воздуха смесь грунта
171
Рис. 5.7. Буровой станок типа Беното EDF-55
1 — выносные опоры; 2 — башня; 3 - оголовок; 4 -
закрепление механизма для забуривания свай; 5 — гидрав-
лический механизм подъема; 6 - рама; 7 ~ лоток сброса
вынутого грунта; 8 — механизм вращения забуриваемой
сваи или трубы; 9 - лебедка; 10 — двигатель привода;
II — буровое устройство
и раствора поднимается с большой скоростью (до 3 м/с). При этом на-
верх поступают как мелкие, так и крупные частицы грунта, которые
затем отделяются от раствора на специальных ситах. Отделение грунта
от раствора может производиться также в специальных отстойных бас-
сейнах.
После того как достигнута проектная глубина скважины, работы по
дальнейшему бурению приостанавливаются. Скважина заполняется
бетонной смесью или, при создании водонепроницаемой завесы, гли-
ной. Раствор, препятствующий обрушению стенок, вытесняется наверх.
Сооружение траншейных стенок возможно одним из следующих
способов:
а) разработка грунта грейферами;
б) фрезерная разработка грунта;
в) разработка траншей методом вертикального бурения.
Разработка грунта грейферами. Для этих целей обычно использу-
ются тросовые грейферы, имеющие большое усилие закрытия ковша.
Так как при сооружении стенки верхние слои грунта обычно имеют
наибольшую плотность, вначале разрабатывается направляющая (пио-
нерная) траншея глубиной от 1 до 1,5 м, которая позволяет точно фик-
сировать положение грейфера при дальнейшей выемке грунта. Эта тран-
172
Рис. 5.8. Бурение скважин без опускания обсадной-грубы в
устойчивых грунтах
шея облицовывается железобетонными плитами толщиной 200—300 мм.
Вместо сборных плит могут быть изготовлены две монолитные бетон-
ные направляющие стенки. По мере разработки траншея должна запол-
няться тиксотропным раствором.
В ГДР для выполнения этих работ используется электрогидравличес-
кий грейфер марки SG-60 (рис. 5.9) с шириной захвата 640 мм и ем-
костью ковша 0,7 м3. Его применение возможно при максимальной
глубине выемки 6 м. Ширина грейфера в открытом положении сос-
тавляет 2,3 м. Он подвешивается либо к стреле экскаватора, либо к спе-
циально предназначенному для выполнения этих работ устройству на
рельсовом ходу.
На рис. 5Л0 показана поэтапная выемка грунта при создании стенки-
прорези. При этом следует обратить внимание на процесс выемки грунта,
заключающийся в устройстве вначале двух продольных прорезей, после
создания которых осуществляется выемка грунта из центральной части.
173
aJ
Рис. 5.9. Разработка грунта грейфером
а — грейфер оборудованный на экскаваторе типа ИВ-80,в момент опускания в
стенку-прорезь [/]; б - разгрузка грейфера над специальной установкой
В прочных несвязных грунтах, а также в слоистых грунтах целесооб-
разно проведение работ по предварительному бурению скважин (см.
рис. 5.10). На месте сооружаемых стенок-прорезей вначале пробурива-
ют скважины диаметром 600 мм на расстоянии 1,9 м друг от друга. В
этом случае отдельные участки сооружаемой стенки располагаются меж-
ду двумя скважинами, что обеспечивает их повышенную устойчивость.
Грунт, который не может быть извлечен грейфером, удаляется позд-
нее. Для этого используется раствор с большой плотностью, в котором
частицы грунта поднимаются, и раствор откачивается насосами. Для
извлечения оставшегося в траншее грунта возможно применение ваку-
умных насосов.
Ю' Схема поэтапной выемки грунта и заполнения траншей
I направляющие скважины; 2 - обсадные трубы ф 600 мм‘
трубы для бетонирования ф 300; 1 —Ш — последовательность
выемки грунта
174
1
Рис. 5.11, Фрезерная разработка грунта
1 — бурильная вышка; 2 - отсасывающая линия; 3 - тран-
лея, заполненная глинистым раствором; 4 — отсасывание слоя-
ми; 5 ~ насосная установка; 6 — воронка для подачи бетона;
7 - бетонная смесь
После разработки траншеи на обоих ее концах устанавливаются
специальные ограничивающие трубы, после чего она заполняется бетон-
ной смесью марки не ниже В 160, Толщина покрытия слоем бетона долж-
на быть не менее 70 мм. Для обеспечения водонепроницаемости стен-
ки заполняются глиной или другим водонепроницаемым материалом.
Фрезерная разработка грунта. Впервые этот метод был применен
в Италии в 1954—1955 гг. и по мере совершенствования гидравличес-
кого метода удаления разработанного грунта был внедрен во многих
странах.
Так же как и при разработке грунта грейферами, в этом методе
стенка разбивается на участки. При этом на обоих краях участков I эта-
па выемки вначале пробуриваются скважины на полную глубину тран-
шей. Затем бурильная установка перемещается вдоль этих участков
по всей длине и разрабатывает грунт на всю его высоту слоями толщиной
300 мм, постепенно опускаясь все ниже и ниже (рис. 5.11).
Разработанный грунт перемешивается в траншее с глинистой суспен-
зией, которая отсасывается и подается на вибросита или гидроциклон,
где происходит его отделение от суспензии, которая направляется обрат-
но в траншею. Установки, применяемые для разработки и удаления раз-
рыхленного грунта, могут применяться практически во всех рыхлых
несвязных грунтах.
При наличии в грунте каменных включений больших размеров данный
метод не применяется. В этих случаях рекомендуется применять уста-
новки ударного бурения, которые разрыхляют твердые слои грунта и
смещают их вместе с камнями в сторону. Этот грунт извлекается из
траншеи либо специальными грунтовыми насосами, либо удаляется с
применением установок сжатого воздуха (эрлифта).
175
Рис. 5.12. Схема непрерывного соору-
жения стенки-прорези Цб]
1 - ограничительные перегородки
Наибольшая производительность этого метода достигается в случаях
проходки в мелкозернистых несвязных грунтах. При фрезерной разра-
ботке связных грунтов скорость прокладки траншей значительно умень-
шается. Рассматриваемый способ позволяет разрабатывать траншеи глу-
биной до 25 м ниже уровня грунтовых вод, а с применением устрой-
ства ударного бурения UKS 22 — до 40 м.
Разработка траншей методом вертикального бурения. Сущность ме-
тода заключается в том, что на первом этапе работ производится буре-
ние вертикальной скважины на всю проектную глубину сооружаемой
траншеи, после чего, перемещая бурильную установку в горизонтальном
направлении, производят дальнейшее бурение траншеи по длине. На
нижний конец бурильной штанги насаживаются специальные фрезерные
насадки, форма которых выбирается в соответствии с характеристика'
ми разрабатываемого грунта. Для повышения скорости разработки
грунта бурильная штанга в процессе работы попеременно поднимается
и опускается, чем достигается быстрое освобождение в грунте крупных
включений. Как и при всех ранее описанных способах разрабатываемая
траншея должна быть заполнена глинистой суспензией.
Отметим, что метод применим лишь для рыхлых несвязных грун-
тов без крупных каменных включений, так как в противном случае
штанга при вращении будет иметь продольный изгиб, вызванный обхо-
дом возникшего на ее пути препятствия. Вследствие этого ширина тран-
шеи по мере увеличения глубины будет уменьшаться и не удастся сохра-
нить вертикальность ее стенок и проектную ширину.
Сооружаемые этим методом траншеи могут быть значительной дли-
ны при условии применения конечных ограничивающих скважин, раз-
бивающих траншею на отдельные участки. В эти скважины устанавлива-
ются специальные разделители участков, способные выдержать давление
бетонной смеси при заполнении ей отдельного участка (рис. 5.12). Пос-
ле начала твердения бетонной смеси разделители должны легко извле-
каться. При применении этого метода разработки траншей возможно
использование сборных железобетонных конструкций.
5.3. ГЛИНИСТЫЕ СУСПЕНЗИИ
К применяемым для заполнения траншей в процессе ее разработки
глинистым суспензиям предъявляются следующие требования:
176
а) плотность суспензий должна обеспечивать полную устойчивость
необлицованных стенок траншеи;
б) стабильность суспензии должна обеспечиваться в течение необхо-
димого для проведения работ времени;
в) суспензия должна обладать тиксотропными свойствами;
г) она должна иметь консистенцию, чтобы полностью вытесняться
материалом, которым после окончания работ по разработке грунта за-
полняется траншея;
д) смесь используемой суспензии и разработанного грунта не должна
обладать никакой агрессивностью по отношению к используемым мате-
риалам и грунтовым водам.
Наиболее часто для заполнения траншеи применяют бентонит (монт-
мориллонитовую глину), который в водной среде сохраняет состояние
суспензии с высокой вязкостью, обладает тиксотропными свойствами и
большой водонепроницаемой способностью. Для улучшения свойств
к обычным бентонитам добавляют соли натрия (например NaCO3),
что повышает активность суспензии. Образуется так называемый активи-
рованный бентонит. Плотность бентонитовых смесей 1,03—1,2 г/см3.
В ГДР растворы приготовляются в специальных быстроходных смеси-
тельных установках, в СССР и ЧССР — в специальных активаторах.
В связи с тем, что в ГДР отсутствуют необходимые для приготовле-
ния бентонитовых суспензий компоненты, были проведены специальные
исследования по приготовлению суспензий с использованием местных
глин [97]. Были проведены также работы по проверке возможности
их практического использования для заполнения траншей в различных
грунтах.
Для приготовления этих суспензий использовались следующие мате-
риалы: бентонит (ВНР), сабени (ЧССР), Фриедлендер Блаутон (ГДР),
красные илы в качестве добавок при перемешивании (отходы алюми-
ниевой промышленности), химические добавки для улучшения тиксо-
тропности (CMC EN 55) и нейтрализации раствора (сода, едкий натр),
добавки для повышения плотности (тяжелый шпат). Дополнительные
сведения по рецептуре суспензий приведены в работе [169] •
Для приготовления суспензий были разработаны специальные уста-
новки (рис. 5,13). В среднем на приготовление одного 1 м3 суспензии
необходимо от 80 до 100 кг бентонита. При использовании суспензии
для заполнения траншеи необходимо соблюдение приведенных в работах
[6, 169] параметров. Для приготовления растворов допускается при-
менение воды только определенного качества.
Приготовленная таким образом суспензия повышает устойчивость
стенок, причем в этом процессе значительно влияние электроосмотичес-
ких сил. Специальные исследования, посвященные вопросу устойчивости
стенок при заполнении траншей суспензией, были проведены Вейсом
[156]. В результате установлено, что в тех случаях, когда создаваемая
в грунте траншея является одновременно и ограждающим элементом,
и частью будущего сооружения и должна будет передавать полезные
нагрузки на основание, применяемая суспензия должна обладать доста-
точной подвижностью, в результате чего обеспечивается минимальное
трение и хорошее сцепление ее с грунтом. На сцепление оказывает боль-
шое влияние шероховатость стенок траншеи, которая зависит от способа
проведения работ и их качества [161]. Для обеспечения выполнения
этих требований необходимо соблюдение следующих правил:
12—749 1^7
Рис. 5.13. Установка для приготовления суспензии [23]
1) тщательное заполнение траншеи суспензией;
2) применение суспензии с минимальным фильтрующим свойством;
3) постоянный контроль за качеством суспензии, включая объемы,
из которых она удаляется при заполнении траншеи бетонной смесью
или другими материалами;
4) минимальная продолжительность перерыва между окончанием
работ но выемке грунта и началом укладки в траншею бетонной смеси.
При наличии грунтовых вод заполнение траншеи суспензией должно
быть произведено до появления в ней грунтовой воды во избежание
разжижения. Если отметка дна траншей значительно выше уровня грун-
товых вод, то вода будет просачиваться в грунт. Вместе с водой в грунт
будут уходить наиболее мелкие глинистые частицы, которые постепен-
но заполняют поры грунта. Для возвращения оставшейся части глинис-
той суспензии в первоначальное состояние необходимо на виброситах
отделить от нее песчаные и более крупные частицы. Допустимое коли-
чество частиц песка не должно превышать 3—10%.
5.4. УКЛАДКА БЕТОННОЙ СМЕСИ
Заполнение скважин бетонной смесью производится после установки
армокаркаса и при отсутствии грунтовых вод. Бетонная смесь подается
в скважину по бетоноводу диаметром около 250 мм. В тех случаях,
когда в скважине стоит грунтовая вода, бетонная смесь подается в сква-
жину либо по бетоноводу, либо в специальных бадьях. Для обеспечения
полного заполнения скважины бетонной смесью рекомендуется вибри-
рование или покачивание армокаркаса в разные стороны для того, что-
бы обеспечить некоторое разжижение бетонной смеси и ее большую под-
вижность. Для того чтобы исключить возможность обрыва бетонолитной
трубы, виз скважины должен находиться на 1—2 м ниже поверхности
уложенной бетонной смеси. Масса уложенного столба бетонной смеси
в скважине достаточна для обеспечения его необходимой плотности.
178
Применение вибраторов для уплотнения бетонной смеси не рекоменду-
ется, так как при этом может произойти ее расслоение.
При укладке обычной или литой бетонной смеси, которая подается в
специальных бадьях или с помощью бетононасосов, необходимо соблю-
дение следующих условий:
I) заполнение траншеи (скважины) бетонной смесью должно произ-
водиться не позднее чем через 2,4или,в крайнем случае, 6 ч после окон-
чания работ по выемке грунта;
2) процесс бетонирования не должен прерываться, при этом скорость
подъема уровня бетонной смеси должен быть не менее 1 м/ч;
3) бетонолитная труба, используемая для подачи бетонной смеси,
должна быть погружена на 1 м ниже уровня укладываемой бетонной
смеси. Максимальное погружение выходного сечения бетонолитной
трубы ниже уровня бетонной смеси не должно превышать 2—3 м;
4) основание траншеи до начала процесса бетонирования должно
быть освобождено от всякого мусора, отдельных включений и др.;
5) в процессе бетонирования должна быть исключена возможность
попадания посторонних включений в укладываемую бетонную массу.
При заполнении траншей, длина которых не превышает 4 м, достаточ-
но применение одной трубы для подачи бетонной смеси. При большей
длине траншеи целесообразно применение двух труб диаметром 200—
300 мм (см. рис. 5.12).
При сооружении водонепроницаемых завес возникает проблема уст-
ройства водонепроницаемых перемычек между отдельными участками
стенок на месте устанавливаемых перегородок. В последние годы над
решением этой проблемы интенсивно работают. В табл. 5.1 приводятся
примеры решения данной задачи по соединению отдельных участков
стенки между собой.
Таблица5Л
Выполне- ние тор- цевого участка Соедине- ние двух, участков Краткое описание Водонепро- ницаемость Способ- ность вос- принимать нагрузки
Нет ограничивающего элемента. Нет Нет Бетон непосредственно примы- кает к торцу прорези
На торец участка устанавливает-
ся ограничивающая перегородка
различного конструктивного
выполнения
Только при Нет
применении
изоляцион-
ных про-
кладок или
лент
Обсадная труба в процессе бето-
нирования постепенно извлекает
ся из скважины, образующийся
торец имеет полуциркульное
х очертание
То же, с устройством дополни-
тельных фигурных выступов, ко-
торые вводятся по мере извле-
чения обсадной трубы
Обеспечи- Средняя
вается при
давлении
воды до
50Н/см2
Да
Да
179
Продолжение табл. 5.1
Выполне- Соедине- Краткое описание Водонепро- Способ-
ние тор- ние двух ницаемость ность вос-
цевого участков принимать
участка нагрузки
Железобетонная деталь 1 оста-
егся в прорези, устанавливается
в зависимости от подъемного
усилия
О бес печи- Средняя
вается при
давлении
воды до
50 Шсм2
В течение длительного времени обходился вопрос о соединении между
собой устанавливаемых в траншеи разделителей захваток и укладывае-
мого бетона. Величина давления на разделители захваток могла быть
определена лишь опытным путем [167]. При статическом расчете взаим-
ное влияние бетона и разделителя захваток может быть учтено лишь
специальным поправочным коэффициентом [6], значение которого за-
висит как от марок используемой стали, так и от применяемой для за-
полнения траншеи глинистой суспензии.
Технологические процессы при установке предварительно изго-
товленных железобетонных элементов и применении самотвердеющих
растворов были описаны в разд. 5.1.
5.5. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТА
Распределение давления грунта зависит от конструктивного выпол-
нения стенки, ее типа, числа и расположения устройств, предохраняющих
ее от обрушения, а также характеристик грунта и хода выполнения стро-
ительных работ. При свободно стоящих подземных стенках давление
увеличивается по линейному закону с увеличением глубины траншеи.
При закрепленных стенках происходит перераспределение давления.
Величина расчетного давления грунта может быть определена по данным
табл. 5.2.
Таблица 5.2
Способ крепления стенок Предварительное нагружение крепления Нескальныс грунты
; n't? V V р р -J и> <0, 33 0,25 < </r<0,75 V
Незакрепленная стенка Закрепленная в од- Анкер > 100%, распорка >50% ной точке стенка Анкер < 100%, распорка <50% Без предварительного нагружения Закрепленная во мно- Анкер > 100%, распорка >50% гих точках стенка Анкер < 100%, распорка <50% Без предварительного нагружения hj I tq tq tq I tq Q ns О ] йЧ S J Cl 3 1 i 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 a . to. ц. to o, ©, to kJ 1 kJ Cq Ц] kj kJ Cq
180
Угол внутреннего трения между грунтом и поверхностью стенок
для случая скважин с обсадными трубами определяется зависимостью
5 = Ф'. Для расчета стенок используются значения, приводимые в табл.
5.3. При этом учитываются водоотдача глинистой суспензии и промежу-
ток времени между окончанием работ по выемке грунта из траншеи и
началом бетонирования. При давлении воды до 10 Н/см2 может быть
определена средняя величина водоотдачи [6].
Таблица 5.3
Угол трения грунта по стенке Водоотдача, мл Время сохранения ус- тойчивости; ч
1 11 II II е * 1 <10 <20 Без ограничений <4 <4
Для определения направления отпора грунта может быть использова-
но выражение S = — 5^, при этом вертикальные составляющие не приво-
дят к возникновению направленной вверх силы. Если = — 1/ЗФ', то в
основу расчета принимают криволинейные поверхности скольжения.
Защемленные в грунте подземные стенки рассчитываются так же,
как и шпунтовые стенки. С учетом перераспределения давления грунта
можно рассчитать также защемленные, свободно расположенные в грун-
те или с одной распоркой (анкером) подземные стенки. Стенки с нес-
колькими распорками (анкерами) можно рассматривать как стенки с
равномерно распределенной нагрузкой, лежащие на жестком неподвиж-
ном основании.
В работе [6] для статически определимых систем приведены конкрет-
ные решения. Поэтому в целях упрощения расчетов стенок, имеющих
одну или несколько промежуточных опор и свободно расположенных
или защемленных в грунте, а также стенок, имеющих одну или несколь-
ко промежуточных опор и защемленных в грунте, при загружении их
активным или повышенным значением активного давления грунта с уче-
том собственного веса грунта или равномерной нагрузкой — все эти
случаи можно рассматривать как стенки, имеющие одинаковую нагруз-
ку. Для этого в последующих расчетах давление грунта принимается
возрастающим по мере увеличения глубины, а положение точки нуле-
вой нагрузки — с учетом значения необходимого коэффициента запаса
для возможного граничного значения сопротивления грунта и возмож-
ной формы эпюры давления на стенку. Эта эпюра принимается в виде
плоской прямоугольной эпюры давления, которая располагается между
верхом стенки и точкой нулевой нагрузки. После определения попереч-
ных и продольных сил, силы сопротивления, принимаемые по рис. 5.14,
должны быть увеличены.
Если в расчетах учитывается активное или повышенное активное
давление грунта, стенка располагается в среднеплотных несвязных
грунтах (7р > 0,33) или средних связных грунтах, имеющих жесткую
консистенцию Ц,- > 0,75), то результирующая линия между верхней
кромкой стенки и точкой нулевой нагрузки при учете собственного ве-
са грунта и равномерно распределенной нагрузки имеет следующие по-
ложения:
181
Рис. 5.14. Поправка величины усилия, действующего на буровые скважины, стен*
ки-щэореаи и шпунтовые стенки при одной или нескольких промежуточных опорах
а — сечение; б — распределение давления грунта по закону Кулона; в — подпор-
ная стенка в точке Л при условии 1: А'= Мр - Mpj h^/h ; г - подпирание
в точке В при условии П: А'=А; В’~ 1J5B; Мр =Мр; подпирание в точке В при
условии Ш: A' = A\J h/h& В = В; Мр = Мр; д - при трех подпорках: Af- A; В'-
~ 1,15А; С=С; Мр=Мр
при одной распорке (анкере) — чуть выше середины стенки;
при двух или большем числе промежуточных опор — располагается
на середине или чуть ниже середины высоты стенки.
В целях упрощения расчета можно принять равномерно распределен-
ную нагрузку для случаев, когда поперечная сила и дополнительная
полезная нагрузка принимаются в соответствии с рис. 5.14. Тогда при
сосредоточенной линейной или равномерно распределенной нагрузке
эпюра давления грунта также может быть принята прямоугольной.
Если при расчетах учитывается активное или повышенное активное
давление грунта и стенка устраивается в связных грунтах (0,5 < <
< 0,75), расчет следует проводить в предположении двух расчетных
нагрузок. Необходимо принимать крайнее возможное перераспределе-
ние давления грунта [ 158] - В расчет необходимо принимать самые не-
благоприятные сечения стенки, или в отдельных случаях проводить из-
мерения стенки с целью определения происшедшего изменения раз-
меров с течением времени.
Если расчеты проводятся с учетом активного или повышенного
активного давления и стенка располагается в рыхлых несвязных грун-
тах (I& < 0,33) или в мягких связных грунтах (Jc < 0,5), могут про-
изойти лишь незначительные изменения давления грунта. Давление бу-
дет линейно возрастать с увеличением глубины. При определении силы
сопротивления (отпора) грунта необходимо ее увеличение на 25%.
При учете статического давления грунта в качестве активного давле-
ния на стенку и учете сопротивления (отпора) грунта значение коэффи-
циента запаса принимается равным т? = 3,0 в следующих случаях:
а) подземная стенка имеет, по крайней мере, две промежуточные
опоры;
182
Рис. 5.15, Давление грунта на стенку, имеющую
две или более точек опоры [б ]
б) статическое давление грунта от последней дополнительной опоры
принимается как равномерно распределенное и направленное вниз;
в) примыкающий к стенке рыхлый грунт имеет среднюю или боль-
шею плотность.
Если стенка располагается в несвязных или мягких связных грун-
тах, коэффициент запаса прочности должен повышаться или прини-
маться для более низко расположенного расчетного сечения.
Если при расчетах учитывается статическое давление грунта на от-
метках ниже дна траншеи, то в случаях применения стенок, имеющих,
по крайней мере, две дополнительные по высоте опоры, можно нагрузку
ниже точки расположения нижней распорки принимать постоянной по
величине (рис. 5.15). Однако одновременно с этим величина отпора
грунта Ер соответствует значению коэффициента т? = 3,0. Кроме того,
необходимо учитывать также активное или повышенное активное давле-
ние грунта от верхней части стенки. Для восприятия сил отпора грунта
можно допустить несколько большую деформацию стенки, которая
возможна при учете обычной величины отпора грунта.
При расчете активного или повышенного активного давления в каче-
стве действующей нагрузки можно принять значение коэффициента
запаса прочности rj = 1,5, если прилегающий к стенке грунт находится
в состоянии средней плотности или плотном состоянии. Если имеет мес-
то несвязный или мягкий связный грунт, то значение коэффициента
прочности следует повысить. В этом случае можно применить жесткое
или упругое опирание стенки, если соответствующие значения всех
величин будут определены опытным путем для данных конкретных
условий.
Принятое значение коэффициента запаса прочности должно соот-
ветствовать значению поперечных сил, положению точки нулевой на-
грузки, а также действующей в основании стенки нагрузке. Положение
точки приложения результирующей сил сопротивления грунта ниже
точки нулевой нагрузки может приниматься при свободном расположе-
нии нижней точки основания стенки:
в случае несвязных грунтов с 0,60Л
в случае связных грунтов с 0,50г'.
При нижнем защемлении стенки в грунте нагрузки рассчитываются
по Блюму, (см. рис. 5.14), давление грунта изменяется с увеличением
глубины расположения стенки.
183
Несущая способность стенок может быть определена с использовани-
ем расчетной модели [6]. Несущая способность стенки зависит от переда-
чи нагрузки на подошву стенки Qs и сил трения между грунтом и по-
верхностью стенки (QR ). Величина вертикальной несущей способности
стенки может быть получена из следующей формулы;
Q = Qr + 2$ или
@zul= +
Расчет может быть произведен по условиям и диаграммам, приведен-
ным в работе [6].
Фильтрация грунтовых вод под стенкой и возможный вынос частиц
грунта из-под нее может привести к возникновению вертикальных оса-
док стенки. Эти деформации могут быть исключены применением спе-
циальных технологических приемов и технологических принципов» а
именно [7]:
а) применение соответствующих рецептов применяемых глинистых
суспензий;
б) определение степени засорения глинистых суспензий;
в) сокращение промежутка между разработкой траншеи и запол-
нением ее суспензией;
г) замена используемой глинистой суспензии;
д) предварительная очистка дна траншеи;
е) применение соответствующей технологии укладки бетонной смеси
в траншею.
Методика расчета допустимых вертикальных осадок стенок подробно
рассмотрена в работах [6, 208].
ГЛАВА 6, ПЕРЕМЫЧКИ
Перемычки применяются для ограждений котлованов при устройст-
ве их на водных акваториях, при сооружении больших котлованов или
в случаях расположения котлованов в тяжелых рыхлых или прочных
грунтах, в которых обычными грунтовыми стенками не может быть
обеспечена необходимая надежность.
Тип перемычки, ее конструктивное выполнение и способ сооружения
определяются в зависимости от местных конкретных условий и усло-
вий ее возведения.
6.1. ВИДЫ ПЕРЕМЫЧЕК
Котлованы, сооружаемые в русле реки, в тех случаях, когда отвод
воды из нее не представляется возможным, могут устраиваться отдель-
ными участками под защитой перемычек. В процессе строительства во-
да пропускается через уже возведенные элементы сооружения. На рис.
6.1 показано строительство гидроэлектростанции, когда все сооружения,
располагаемые в русле реки, последовательно возводились в три очере-
ди под защитой перемычек.
При проектировании перемычек для сооружения котлована в рус-
ле реки необходимо учитывать, что ее сооружение уменьшит ширину
184
Рис. 6.1. Устройство перемычек при стро-
ительстве гидроэлектростанции
Т Ш — последовательность выполнения
работ
свободной части реки, что в свою очередь приведет к образованию
дополнительного подпора воды и увеличению скорости течения реки.
В связи с этим появляется опасность возникновения размыва дна реки
в наиболее суженной части русла. Соответствующим расположением
перемычек при проектировании необходимо добиться такого пропуска
расходов, при котором негативные последствия сужения русла будут
минимальны.
Отметка гребня перемычек должна приниматься с учетом возможной
высоты волн с запасом не менее 300 мм над ними, если в ходе строи-
тельства не предусматривается возможность затопления котлована в
катастрофических случаях и для этого не приняты соответствующие
меры [215]. В противном случае при высоком половодье уровень воды
в реке может подняться выше отметки гребня перемычки.
Если предусматривается возможность затопления котлована, на от-
дельных участках гребень перемычки располагается на более низкой
отметке и этот участок закрепляется бетонными плитами или специаль-
ной отмосткой. В тех местах, где вода будет поступать в котлован, его
дно должно быть защищено бетонными плитами, каменной наброской
или другими материалами для предотвращения образования размывов
и воронок.
Медленное и безопасное затопление котлована может быть обеспе-
чено встроенными защитными приспособлениями. Кроме того, могут
применяться сифоны, которые автоматически включаются в работу при
повышении уровня воды за пределами котлована. До начала затопления
все строительные механизмы и материалы выводятся из котлована на
незатапливаемые отметки.
Перемычки, располагаемые на краю водоема, должны вдаваться в
берега настолько, чтобы путь фильтрации воды из водоема в котлован
через крылья перемычки был бы не меньше, чем под самой перемыч-
кой. При этом должна исключаться возможность размыва грунта под
основанием перемычки. Необходимо полностью исключить возможность
гидравлического прорыва воды в котлован (см. разд. 7.3). В крайнем
случае при чрезвычайно высоком уровне воды в реке в процессе про-
пуска паводка может произойти прорыв воды в котлован в связи с об-
рушением его откосов из-за подъема уровня грунтовых вод и увеличив-
шегося гидравлического давления.
В случаях малых водотоков перемычки для ограждения котлованов
выполняются не частями, а сооружаются сразу на всю ширину реки.
Бытовые расходы реки в этих случаях пропускаются либо через специ-
185
альные строительные туннели, либо через специальные лотки или трубы,
которые располагаются над котлованом. В этих водоводах устраиваются
специальные воздухоподводящие отверстия и устанавливаются насосы,
обеспечивающие их работу в режиме сифона. Работа этих насосов долж-
на производиться непрерывно в связи с возможностью скапливания вы-
деляющегося из воды воздуха, что может привести к срыву вакуума в
водоводе и прекращению работы его как сифона.
В случае сильно изменяющихся расходов реки устраивают несколько
таких водоводов, необходимость работы которых определяется расхо-
дом в каждый отдельный момент времени.
6.2. ГРУНТОВЫЕ ПЕРЕМЫЧКИ
Грунтовые перемычки применяются для ограждения котлованов
в открытых водоемах в тех случаях, когда необходимые для их возведе-
ния объемы грунтового материала находятся в непосредственной бли-
зости от места возведения перемычки. Работы по сооружению таких
перемычек могут быть полностью механизированы и выполняться с
большой производительностью.
Грунтовые перемычки (рис. 6.2) проектируются как грунтовые
плотины небольшой высоты и возводятся теми же методами. При этом
необходим расчет их устойчивости с учетом как статических нагрузок,
так и возникающих гидродинамических усилий. При выборе крутизны
откосов необходимо учитывать возможность фильтрации воды в котло-
ван через перемычку. В связи с этим основание перемычки со сторо-
ны котлована должно быть выполнено таким образом, чтобы фильтрую-
щий через перемычку поток не снижал его устойчивости. Фильтрацион-
ный расход и дождевые осадки должны собираться в специальные водо-
сборные канавы и отводиться в сторону. Напорная грань перемычек
со стороны водоема должна быть защищена от возможного разрушения.
Для этой цели применяется каменная наброска или покрытие откоса
фашинами.
6.3. РЯЖЕВЫЕ ПЕРЕМЫЧКИ
Ряжевые перемычки могут применяться как в случаях расположения
их на грунтах, допускающих забивку шпунта или свай, так и на скаль-
ных грунтах, где забивка шпунта в грунт недопустима. Они применяются
также в тех случаях, когда обычные деревянные или металлические
шпунтовые стенки не обеспечивают необходимой устойчивости.
Рис. 6.2. Грунтовые перемычки
а — перемычка с дренажем и водоотводящей канавой; б —
перемычка с шпунтовой стенкой в теле перемычки; в - пере-
мычка с шпунтовой стенкой с напорной стороны
186
Рис. 6.3. Ряжевые перемычки
с — ряжевая перемычка из стоек с дощатым заполнением между ними;
б — ряжевая перемычка из забиваемого в грунт шпунта; в — ряжевая пере-
мычка из металлических шпунтовых стенок; 1 — обвязка; 2 — стягиваю-
щий анкер; 3 - дощатое заполнение; 4 — материал заполнения перемыч-
ки; 5 — поперечная стяжка; 6 ~ стойки; 7 - элемент крепления; 8 — де-
ревянный шпунт или стойки; 9 — продольная обвязка; 10 - анкер; 11 —
дренажные отверстия в стенке; 12 — шпунтовые стенки
На рис. 6.3 изображены три варианта ряжевых перемычек, располо-
женных в грунтах, допускающих забивку шпунта. Вариант а (см. рис.
6.3,а) применим при небольших глубинах воды. В этой конструкции
пространство между шпунтом или сваями закладывается сплошной
дощатой обшивкой, которая закрепляется между шпунтом или сваями
и дополнительными стойками, забиваемыми с внутренней стороны пере-
мычки. В местах стыков обшивки с внутренней стороны перемычки
устанавливаются дополнительные стойки.
Для повышения прочности перемычки обе стенки сверху соединяются
между собой стяжками. В этих же целях шпунтовые элементы или
сваи соединяются между собой в продольном направлении дополнитель-
ными связями — деревянными брусьями- Образовавшееся пространство
между двумя параллельными стенками заполняется уплотняющим
материалом, например, песком, содержащим от 30 до 40% мелких
илистых частиц.
Конструкция перемычки (см. рис. 6.3,6). применяемая при средних
глубинах воды, состоит из двойного ряда деревянного шпунта или
плит. На расстоянии около 2 м друг от друга с внешней стороны устанав-
ливаются деревянные рамы. Специальными элементами крепления внеш-
ние рамы соединяются между собой. В этой конструкции, в отличие от
предыдущей, поперечные связи выполняются в виде элементов, которые
могут работать как на растяжение, так и на сжатие (в зависимости от
соотношения уровней воды по обе стороны перемычки), тогда как в
варианте а в качестве стяжек между обеими стенками применялись
металлические элементы, работающие лишь на растяжение. При глуби-
нах воды до 2,5 м ширина ряжевой перемычки b равна ее высоте h.
При глубинах более 2,5 м ширина перемычки определяется по следую-
щей формуле b * Л/2+ (1,00...1,50 м), при соблюдении условия b >О,75/г.
187
Рис. 6 4, Размеры ряжевых перемычек (метод Блюма) [41]
а - b/h = Йгдля р = 1,8 т/м3 и Т} = 1; б - 7} -fh/h для р =
=1,8 т/м3 и Ф=30°
На рис. 6.4,а приведена зависимость b/h от Ф' для р = 1,8 т/м3 и т} =
- 1,0; на рис. 6.4,6 - зависимость р от b/h для р = 1,8 т/мэ и Ф' = 30°
[10]
В расчетах, выполняемых по методу Блюма, достаточно принять зна-
чение коэффициента запаса прочности т? = 1,0, так как в этом случае уже
заложены дополнительные запасы, и значение т? = 1,0 соответствует зна-
чению ij = 1,4... 1,5 при расчете по другим методам.
Приведенный на рис. 6.3 вариант представляет собой ряжевую
перемычку из металлического шпунта и применяется при больших
глубинах воды. Ограждающие металлические стенки с обеих сторон
являются более водонепроницаемыми, чем стенки в вариантах а и б,
обладают значительно большим сопротивлением нагрузкам и сравни-
тельно легко выполняются забивкой шпунта в грунт.
Влияние давления потока при расчете перемычек и устойчивости кот-
лована будет снижаться, если внешняя шпунтовая стенка забивается в
грунт на большую глубину, чем внутренняя. Глубина забивки внутрен-
ней шпунтовой стенки определяется лишь условиями ее устойчивости
под действием статических нагрузок. При применении перемычек с во-
донепроницаемыми стенками пространство между ними может быть
заполнено, например, гравием. Для того чтобы засыпка не потеряла свою
водонепроницаемость в результате выноса мелких частиц, со стороны
внутренней стенки устраиваются специальные дренажные отверстия
для стока профильтровавшейся воды.
В случае отсутствия необходимого для заполнения ряжевой конст-
рукции перемычки камня, вместо него может использоваться тощий
бетон. В этом случае разборка перемычек невозможна и, если они не
используются в дальнейшем как часть возводимого сооружения, после
окончания работ в котловане их взрывают.
На рис. 6.5 показано возведение ряжевой перемычки в открытом
водоеме специальной передвижной установкой. Если перемычки соору-
жаются из металлического шпунта, то они должны усиливаться специ-
альными поперечными связями, как это показано на рис. 6.6.
Если основание, на котором возводится перемычка, образовано
скальными породами или грунтами, в которые трудно осуществить
188
Рис. 6.5. Возведение ряжевой перемычки в откры-
том водоеме
Рис. 66. Ряжевая перемычка из металлического
шпунта при сооружении гидротехнического соору-
жения в русле реки
jj
' I 5300 ||
' КРУПНЫЙ ЩЕБЕНЬ
I ИЛИ ГРАВИЙ
I
U доломит
забивку шпунта, возводят бетонные перемычки. Для этого в скале
на расстоянии около 2...3 м друг от друга пробуриваются отверстия
глубиной около 1 м. В эти отверстия устанавливаются вертикальные
стойки, которые либо защемляются в скале забивкой дополнительных
клиньев, либо бетонируются. Эти работы выполняются водолазами.
Затем между стойками устанавливается облицовка, которая служит
опалубкой для укладываемой бетонной смеси. До ее укладки водолазы
должны очистить дно на всем участке. Если вода, заполняющая опалуб-
ку, находится в спокойном состоянии, то укладка бетонной смеси
может производиться при помощи специальных ковшей. Возможно
также применение метода, при котором вначале в образовавшееся меж-
ду двумя облицовками пространство насыпается гравийная смесь, и
лишь затем через специальные трубы диаметром 50...60 мм снизу вверх
инъецируется цементный раствор. На рис. 6.7 показана конструкция
мола, выполненного в виде ряжевой перемычки. На рисунке виден ма-
гистральный трубопровод, используемый для подачи бетонной смеси.
При возведении перемычки на сильноводонепроницаемом грунте
для увеличения длины путей фильтрации воды в основании перемычки
и исключения возможности образования гидравлических прорывов
воды и разрушения основания перемычки возможно укрепление основа-
ния способом химической инъекции. Для этого котлован осушают и
затем под давлением нагнетают раствор. Для предотвращения разруше-
ния грунта основания и его выпора раствор вводится значительно ниже
основания. Такой же метод повышения водонепроницаемости может
применяться и в отношении заполнения ряжевой перемычки.
189
Рис. 6,7, Ряжевая перемычки при строительстве мола
6.4. ЯЧЕИСТЫЕ ПЕРЕМЫЧКИ
Ячеистые перемычки выполняются в виде замкнутых и соединяемых
между собой цилиндрических сегментов вертикальных оболочек. Эти
ячейки выполняются из прямолинейных шпунтовых элементов, облада-
ющих невысокой сопротивляемостью изгибу и большой прочностью
на растяжение. В целях повышения водонепроницаемости и устойчивос-
ти ячейки заполняются водонепроницаемым материалом.
Этот тип перемычек применяется в основном в случаях устройства
котлованов на больших реках и на морских акваториях.
Наиболее предпочтительными являются круговые или эляиптичеС’
кие формы ячеек в плане, хотя возможно применение как квадратных,
так и многоугольных форм.
Преимуществами ячеистых перемычек являются:
а) возможность возведения на грунтах, не допускающих забивку
шпунта;
б) отсутствие заанкеривания, а также распорок или стяжек;
в) хорошее примыкание к основанию;
г) легкое извлечение грунта при разборке перемычки и извлечении
шпунта;
д) не требуется проведение водолазных работ.
При применении перемычек циркульного очертания (рис. 6.8) из
металлического шпунта сооружаются цилиндрические оболочки, кото-
рые при помощи специальных соединительных участков объединяются
между собой. Соединительные цилиндрические оболочки имеют диа-
метр который составляет около 60% от диаметра основных цилинд-
рических оболочек D. Эти оболочки перекрывают друг друга и при этом
соединение их между собой осуществляется наиболее простым спосо-
бом. Материал заполнения цилиндрических оболочек оказывает сущест-
венное влияние на их устойчивость. Для повышения устойчивости оболо-
чек для заполнения применяют материал с возможно большим углом
внутреннего трения и максимально возможной плотности. Это может
190
Рис. 6.8. Возведение перемычки из цилиндрических ячеек
1 “ фильтровой клин; 2 - транспортерная лента; 3 — главные ячейки; 4 -
соединительные ячейки; 5 - опора
быть гравий, щебень, каменная наброска. Для материала заполнения с
р = 1,8 т/м3 возможно применение цилиндрических оболочек при
D^h.
В случаях применения отдельных ячеек цилиндрической формы
в их стенках и замках возникают только усилия растяжения, что позво-
ляет полностью использовать имеющуюся прочность замковых соедине-
ний шпунта. Достоинством циркульных ячеек является и то, что они мо-
гут возводиться отдельными оболочками и заполняться независимо
друг от друга. Это позволяет устанавливать их непосредственно на ес-
тественное основание. При необходимости забивки шпунта в основание
применяются передвижные установки. Доставка материала для засыпки
оболочек осуществляется по транспортеру, который устанавливается по-
верху готовых цилиндрических оболочек. Соединительные участки меж-
ду двумя смежными оболочками сооружаются лишь после засыпки
их грунтом или камнем.
При эллиптических ячейках (рис. 6.9) забивка шпунта в основание
производится таким же способом, как при сооружении цилиндричес-
ких ячеек, однако процесс заполнения готовых ячеек должен произво-
диться с учетом того, что при их заполнении в каждой ячейке возникают
не только растягивающие напряжения, но и изгибающие моменты. В
связи с этим заполнение смежных ячеек должно производиться с некото-
рым отставанием, с тем чтобы усилия, возникающие в шпунте, не приве-
ли к их изгибу и разрушению. Радиус г криволинейной части ячейки
принимается равным расстоянию между параллельными стенками е
19!
Рис. 6.9- Возведение перемычки из эл-
липтических ячеек
1 — направляющие; 2 — опорная ферма
для того, чтобы усилия растяжения в криволинейной части соответство-
вали усилиям в прямолинейных стенках. Средняя ширина такой эллип-
тической ячейки должна быть равна Ъ ~ 0,75й.
Для заполнения ячеек должен применяться рыхлый материал с макси-
мально возможной плотностью. Для возможного уменьшения возникаю-
щих в ячейках усилий целесообразно с внутренней стороны, обращенной
к котловану, устраивать специальные дренажные отверстия, через кото-
рые будет отводиться профильтровавшаяся вода.
6,5. РАСЧЕТ ПЕРЕМЫЧЕК
Для расчета перемычек нет полностью разработанного метода. Суще-
ствующие в настоящее время методы расчета приводят во многих случа-
ях к неприемлемым в практике решениям. Метод, рассмотренный
в работе [51], позволяет д^дежно рассчитать и определить необходимые
размеры перемычек, а также исследовать возможное разрушение пере-
мычки и возникающее при этом напряженное состояние.
Расчет перемычки проводится по этапам:
1) определение размеров отдельных конструктивных элементов
(шпунтовых стенок, анкеров) с учетом действующих нагрузок для
самого неблагоприятного случая;
2) проверка устойчивости выполненной конструкции перемычки
после завершения работ по ее возведению и засыпке грунтовым мате-
риалом. К этому этапу относятся также расчеты по определению полной
устойчивости перемычки против скольжения, опрокидывания, прорыва
грунта и т.д., а также расчет на возможность прорыва материала засыпки
из ячейки.
Оба этапа расчета проводятся независимо друг от друга. В ходе
первого этапа для случая нормального эксплуатационного режима оп-
ределяются напряжения в материале засыпки ячеек, после чего рассчи-
тываются необходимые конструктивные сечения и размеры. В ходе
выполнения второго этапа определяется нагрузка, приводящая к разру-
шению ячейки. Во внимание принимается напряженное состояние мате-
192
риала засыпки ячеек и учитывается, что общее разрушение перемычки
может произойти раньше разрушения ее отдельных элементов. Это при-
водит к тому, что напряжения от действия грунта засыпки должны быть
меньше, чем усилия, которые возникают в конструкциях при разруше-
нии от действия всех нагрузок. Это позволяет провести дополнитель-
ную проверку всех принятых конструктивных элементов на прочность.
При определении размеров перемычек необходимо также учитывать,
что в ходе их сооружения уровень воды за перемычкой может поднять-
ся, что неблагоприятно отразится на общей устойчивости возводимой
перемычки. Этот случай может оказаться расчетным, так как действую-
щие при этом усилия вызовут большие напряжения, чем в случае полно-
го завершения строительства.
6. 5Л. Определение полезных нагрузок. Полезная нагрузка в случаях
ячеистых перемычек складывается из совместного действия давления
грунта и воды. Под давлением воды обращенная к водной поверхности
сторона перемычки будет смещаться в сторону котлована. В связи с тем,
что обе стороны перемычки соединены между собой, стенка, обращенная
в сторону котлована, переместится на ту же величину от заполняющего
ячейку материала.
При очень широких перемычках b > h при ее перемещении (рис.
6.10,л) в зонах А, В, С, D наступит эластичная деформация, тогда как со
стороны котлована образуется воздушный клин AED. В этом случае
шпунтовая стенка перемычки перемещается вперед и ее деформация бу-
дет столь велика, что значение активного давления на стенку со стороны
котлована может достичь своего предельного значения, определяемого
активным давлением грунта. При этом значение активного давления
грунта на обе стороны перемычки не уравновешивается.
При тонких перемычках с соотношением b/h от 0,8 до 0,9 учитыва-
ют взаимное влияние грунтового давления. Перемычка в этом случае
будет эластично деформирована, как это показано на рис. 6.10,6, без
образования активно действующих клиньев. Вертикальное напряжение
сц в таком эластичном теле может быть определено либо по величине
собственного веса и действующего момента по теории изгиба балки
[10], либо по теории пластинок [50]. По величине вертикального напря-
жения oz определяется горизонтальное напряжение на обращенной в
сторону котлована стороне стенки. При этом необходимо отметить, что
напряжение ох будет больше напряжения, определяемого активным
давлением грунта.
По Терцаги можно принять значение давления грунта по X от 0,4 до
0,5, при этом принимается во внимание напряжение материала заполне-
ния перемычки между обеими стенками.
Таким образом, имеем
о =Хо =0,4и ... 0,5(7 . (6.1)
vV- £г £г
6. 5.2. Определение общей устойчивости перемычек. При расчете ус-
тойчивости перемычек разделяют случаи внешней и внутренней устойчи-
вости. При определении внешней устойчивости перемычки рассчитывает-
ся ее устойчивость на скольжение, опрокидывание и обрушение при ус-
ловии рассмотрения ее как жесткой конструкции. Определение размеров
перемычки но условию ее устойчивости на опрокидывание или против
скольжения обычно не имеет смысла, так как расчетным случаем являет-
ся ее разрушение из-за недостаточной несущей способности грунта.
13-749
193
Рис. 6.10. Расчетная схема перемычек |51]
а — широкий котлован; б — узкий котлован; I — плоскости скольжения,
возникающие при полезной нагрузке; 2 - плоскости скольжения, возникаю'
щие при разрушении системы
В нормальном случае необходимая ширина перемычки определяется
из расчета устойчивости от внутреннего обрушения. В этом случае проч*
ность грунта на срез в материале заполнения перемычки обычно прини-
мается большей, в связи с чем возникают плоскости, по которым может
произойти срез, и перемычка может опрокинуться.
При расчете устойчивости перемычки только для этого случая необ-
ходимо определить положения плоскостей, по которым может произой-
ти разрушение, и выбрать из них плоскость с меньшей устойчивостью.
В качестве поверхности разрушения принимается поверхность логариф-
мической спирали. В качестве расчетной поверхности дня обеспечения
необходимой устойчивости принимается такое положение, при котором
горизонтальные силы имеют минимальное значение. Направление силы
реакции Q, изображенной на рис. 6.11,6, определяется соединением точ-
ф .5 г
20е -2Ц2* Z? w
25*
30° 155е Bjon
35* 0,7*° да/
6,63*
*5’ If, 26 ° 0,5772
50* 22, f0 t?C'iS8
Рис. 6.11. Направление плоскостей скольжения /3 иЛ^по спиральному разрезу
[51]
а — диаграмма для Си (3; б - схематичный разрез
4
194
Рис. 6.12. Значения коэффициента Л/г при
йд =45—Ф/2 и коэффициентов Лд и Х() в
зависимости от угла внутреннего трения
ки разреза от G (нагрузка от материала засыпки над спиралью) и F с
основанием логарифмической спирали.
В качестве показателя надежности принимается отношение наиболь-
шей горизонтальной нагрузки к расчетному ее значению
fs - maxFw / VorhFK. (6.2)
Расчетным значением горизонтальной нагрузки обычно принимается
величина горизонтального давления воды Fw. Для практических расче-
тов устойчивость перемычки с достаточной для практики точностью
может быть определена без построения плоскостей скольжения. По рис.
6.11,6 определяется значение U расчетной спирали по значению угла
а0 и /3. Значение угла скольжения зависит от значения угла внутреннего
трения Ф' и также от отношения b/h перемычки. С достаточной точно-
стью оно приближенно может быть принято равным ао = тг/4—Ф'/2. Угол
наклона плоскости скольжения 0 в зависимости от значений угла внут-
реннего трения может быть определен по диаграмме, приведенной на
рис. 6.11,л.
Плоскость спирали определяют при As - Ъ2С. Значение С может
быть получено по диаграмме на рис. 6.11,л.
По величине G и направлению силы Q по треугольнику сил может
быть определена величина силы Тем самым определяется и величина
запаса устойчивости/^.
В заключение необходимо определить сопротивляемость перемыч-
ки и величины нагрузок в основании в состоянии разрушения стенки.
Для этого может быть использовано выражение
°х = *F°Z' <6-3)
где Л/? — значение дополнительных нагрузок; — вертикальные напряжения со
стороны перемычки, обращенной к котловану.
Значение \F может быть определено из выражения
195
XF = [ 1 -яшФ' sin (Ф'-2/3) ] / [1+£1пФ' sin (Ф'~20) ]. (6.4)
В общем случае достаточно определение значения Х^ по диаграмме
на рис. 6.12 в зависимости от значения угла внутреннего трения. Верти-
кальное напряжение <7„ со стороны, обращенной к котловану, с учетом
момента по теории пластинок [50]:
= Pgz +fsPwgz (Л2/^2 - 1/5) • (6.5)
Определенные при о - Хро? нагрузки при расчете конструктивных
элементов перемычки на опрокидывание должны быть меньше, чем уси-
лия, вызывающие ее разрушение.
ГЛАВА 7. ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ВОДОПОНИЖЕНИЯ
Расположение сооружений в котлованах, отметка дна которых распо-
лагается ниже уровня грунтовых вод, приводит к необходимости приме-
нения различных способов водопонижения. Под этим определением
понимается отвод воды или ее удержание на расстоянии от места произ-
водства работ. Приток воды в котлован возможен в виде атмосферных
осадков, поверхностных, грунтовых или фильтрационных потоков.
Простейшие способы водоудаления известны уже сотни лет. Для
его осуществления применяли различные водоподъемные средства:
ковшовые колеса, лопастные колеса, шнеки для подъема воды,
деревянные водоподъемные насосы. С начала этого столетия метод во-
допонижения . получил дальнейшее развитие в связи с появлением
метода удаления воды посредством устройства скважинных колодцев.
В последнее десятилетие наряду с совершенствованием уже известных
методов водоудаления нашли применение и новые способы.
7.1. ВОДОПОНИЖЕНИЕ
Работы по водопонижению имеют своей целью либо понижение естест-
венного уровня грунтовых вод, либо отвод поступающей в котлован
воды различными способами, обеспечивающие его защиту от затопления.
7.1.1, Способы водопонижения. От тщательности подготовки и эффек-
тивности осуществления водопонижения зависит возможность проведе-
ния работ по устройству котлована и возведению в нем сооружений.
Открытый способ водопонижения показан на рис. 7.1 ,а. Сами котло-
ваны при этом могут иметь либо наклонные, либо вертикально закреп-
ленные откосы. При защите откосов сплошными шпунтовыми, свайны-
ми стенками или стеной в грунте грунтовая вода может поступать в кот-
лован только через его основание, где собирается в специально устро-
енных водосборниках.
При закрытом способе водопонижения вода откачивается из прием-
ных колодцев, в результате чего происходит понижение уровня грунто-
вых вод вокруг котлована и уменьшение притока в котло-
ван грунтовой воды (рис. 7.1,б).
Процесс удаления грунтовой воды из водопроницаемых слоев может
осуществляться различными способами. Условия, в которых происходит
приток грунтовых вод в котлован при применении различных способов
196
Рис. 7.L Способы водопонижения
а - открытый способ водопонижения: 1 - зумпф насоса; 2 - бровка кот-
лопана; 3 - УГВ; 4 - пониженный УГВ; б - закрытый способ водопониже-
ния: 1 — скважина с погружным насосом; в — пневматический способ водопо-
нижения: I - шахта со шлюзом для входа, выемки грунта и подачи материа-
лов; 2 - камера кессона с избыточным давлением; 3 - подошва забоя; г -
устройство водонепроницаемых стенок и днища: I - бетон или икъекциро-
ванный слой раствора; 2 — водонепроницаемая стенка
водоудаления, могут быть весьма различны. Если приток осуществляет-
ся под действием напора грунтовых вод, и вода поступает в приемные
колодцы под действием сил гравитации, то такой способ удаления воды
называется гравитационным. Способы, при которых удаление воды из
грунта производится при помощи дополнительного понижения давления,
называются вакуумными. В мелкозернистых водопроницаемых грунтах
движение грунтовой воды может быть усилено созданием постоянным
электрическим током магнитного поля. Такой способ называется элект-
роосмотическим.
При применении пневматического способа водопонижения (см.
рис. 7.1 ^в) грунтовая или фильтрационная вода удаляется путем соз-
дания в порах грунта избыточного давления, что приводит к более
интенсивному водоотделению. Образование этого избыточного давле-
ния возможно в замкнутой системе.
В тяжелых грунтовых условиях (например, сильноводопроницае-
мые грунты) применяется ограждение котлована со всех сторон во-
донепроницаемыми стенками и устройство днища (рис. 7.1^). Изо-
ляция котлована может осуществляться устройством стенок-прорезей,
197
буровых скважин и стенок, шпунтовых или инъекционных стенок. Для
придания водонепроницаемости дну котлована может применяться спо-
соб подводного бетонирования. В особых случаях, особенно при водо-
понижении в шахтах и при сооружении туннелей, для защиты котлованов
применяется метод замораживания грунта. В этом случае для защиты
котлована от поступления грунтовых вод сооружается стенка из мерз-
лого грунта.
Все описанные способы защиты котлованов от проникновения в них
грунтовых и других вод могут быть подразделены на следующие типы:
1) открытые способы водопонижения;
2) закрытые способы водопонижения:
а) гравитационное водоудаление,
б) вакуумное водоудаление,
в) электроосмотическое водоудаление;
3) специальные способы задержания грунтовых вод:
а) способ пневматического водоудаления;
4) уплотнение грунта:
а) метод уплотнения стенок котлована,
б) метод уплотнения дна котлована.
7.1.2. Области применения различных способов водоудаления. Каж-
дый способ водоудаления имеет свою оптимальную область применения,
которая определяется различными факторами. При выборе наиболее
подходящего для конкретных условий способа водопонижения необ-
ходимо исходить из следующих условий:
размеры и форма сооружаемого котлована,
геологический и гидрогеологический профиль,
водопроницаемость грунта,
необходимая глубина водопонижения,
время до начала водопонижения,
продолжительность водопонижения,
условия движения грунтовых вод до начала работ,
наличие рядом с котлованом уже имеющихся сооружений,
имеющиеся технические средства и установки для водопонижения.
Рассмотрим области применения различных способов водопониже-
ния в зависимости от размеров частиц грунта или коэффициента фильт-
рации. Эти в основном эмпирические рекомендации ни в коем случае не 1
являются однозначными. Выбор между открытым и закрытым способом
водопонижения в большинстве случаев производится сравнительно лег- '
ко. Многочисленность необходимых для учета факторов приводит к <
тому, что рекомендуемый способ не может быть однозначно установлен
и должен выбираться с учетом различных условий. Анализ преимуществ
и недостатков открытого и закрытого способов водопонижения приво-
дится в табл. 7.1 в зависимости от геологических, гидрогеологических,
технологических и экономических факторов. . <
Область применения открытого способа водопонижения. Открытый •;
способ водопонижения в устойчивых несвязных грунтах и связных рых- <
лых грунтах применим в следующих случаях: а) в крупнозернистых
грунтах приток воды в котлован может быть удален техническими сред-
ствами; б) в мелкозернистых грунтах возможно необходимое водопо-
нижение;- в) не возникает никаких недопустимых механических дефор- !
маций грунта. ;
198
Таблица 7-1
Сравниваемые пока- затели Открытое водопонижение Закрытое водопонижение
Гидрологические параметры
Количество воды Гидравлический 25—50% Возможен 100% Не возможен
прорыв Суффозия, эрозия грунта Возможна Маловероятна
Технологические параметры
Выемка грунта Механизация Тип машин Ход выполнения работ Трудности с водопонижег нием Средняя Мио го ф уикционал ьныс насосы Водопонижение в процессе выполнения работ по выем- ке грунта Незначительные трудности при водопонижении Полная Бурильные установки, насосы Водопонижение до и в ходе выполнения работ по выемке грунта
Экономические параметры
Стоимость водопо- 20-40% 100%
нижения
Эксплуатационные затраты 30-50% 100%
Выемка грунта 105-120% (в зависимости от приме- ненного способа) 100%
По данным Кезди-Марко [53] открытый способ водопонижения
не должен применяться в тех случаях, когда средний размер частиц
грунта меньше 0,1 мм, Наличие мелких частиц грунта при течении грун-
товых вод приводить^ образованию плывунов и может вызвать, прорыв
песчано-плывунной грунтовой смеси в котлован, а также осадки имею- 1
щихся сооружений, расположенных вблизи котлована. При больших
напорах, возникающих при движении грунтовых потоков, могут про-
изойти обрушения откосов котлованов путем их скольжения и ополза-
ния, изменения структуры грунта или гидравлический прорыв воды в
котлован. Открытый способ водопонижения применяется, как правило,
при необходимости незначительного понижения уровня грунтовых вод.
Области применения закрытого способа водопонижения. Области при-
менения гравитационного, вакуумного и электроосмотического спосо-
бов водопонижения в основном зависят от водопроницаемости грунтов.
Таким образом основным показателем, определяющим способ закрыто-
го водопонижения, является коэффициент фильтрации к.
На рис. 7.2 и в табл. 7.2 по данным работ [34, 38, 53, 96, 216 и ПО]
приводятся основные данные по применимости этих методов водопо-
нижения. В мелкозернистых грунтах средней водопроницаемости приме-
нение водопонижающих колодцев является среднеэффективным, так
как понижение уровня грунтовых вод значительно только вблизи колод-
цев, а глубина водопонижения между ними невелика. Таким образом
этот метод становится экономически эффективным по мере снижения
коэффициента фильтрации грунта к. Поэтому необходимо использова-
ние другого метода водопонижения. В связи с этим считается, что если
199
Таблица 7.2
Коэффициент фильтрации kt м/с Способ водопонижения Преимущества и недостатки
>10-1 Специальные Открытые способы водопони- жения с увеличением значе- ний и глубины водопониже- ния становятся неэффектив- ными
1...10-9 Открытое водопонижение при среднем понижении уровня При к > 10 7 возможен большой приток воды, при к = 10-4...1б" 1 — опасность появления плывуна - — .
10~2...10~4 Г равитационный Центробежный насос '
10~4.. 10 5 Гравитационный, вакуум- ный Центробежный или погруж- ной насосы
1О~5.,.1О-7 Вакуумный Центробежный или вакуум- ный насос
1О-7...1О9 Электроосмотический
<1СГ 9 Водопонижение не требу- ется —
Трещиноватые Открытое водопонижение —
скальные породы
средний размер зерен грунта менее 0t06 мм, то применение метода гра-
витационного водопонижения неэффективно.
—-Из мелкозернистых грунтов и илов водоудаление более эффективно
способом вакуумирования. По Рюкерту [110J, вакуумное водопониже-
ние оптимально для грунтов с коэффициентом фильтрации от 10~s до
10"7 м/с.
Рис. 7.2. Способность грунта удерживать воду в зависимости от распределения
зернового состава [ПО]
1 — теоретическая граница возможности применения гравитационного во-
доудаления; 1 — электроосмотическое водоудаление; П - вакуумное водо-
удаление; Ш — переходная область; 1У — гравитационное водоудаление;
У - специальные способы водоудаления
200
Рис. 7.3. Эффективность различных спосо-
бов закрытого водопонижения [103]
1 — вакуумное водоудаление; П —
гравитационное водоудаление; Ш — элект-
роосмотическое водоудаление
s ю*. 5 ю‘ 5/s1.^
.зге
КОЭФФИЦИЕНТ ФИЛЬТРАЦИИ к, м/с
Для мелких песков с включениями илистых частиц рекомендуется
применение электроосмотического способа водопонижения, так как в
этом случае только он может обеспечить эффективное водоудаление.
Эффективность различных способов закрытого водопонижения по-
казана на рис. 7.3. На этом графике показана зависимость удаления во-
ды из котлована от действующего диаметра частиц грунта.
На рис. 7.4 показана зависимость эффективности способов водопони-
жения от глубины водопонижения для разных грунтов. При выборе
наиболее эффективного способа водопонижения необходимо учитывать
не только физические свойства грунтов, но также технические, техноло-
гические и экономические аспекты решаемой задачи.
Рис. 7.4, Применение различных способов водоудаления в зависимости от
глубины котлована и размеров зерен грунта
J ~ открытый способ водоудаления; 2 — электроосмотический способ;
5 - водоудаление одноступенчатыми переносными насосами; 4 — вакуумное
водоудаление; 5 - гравитационное водоудаление; б - гравитационное или ва-
куумное водоудаление из глубоких колодцев или скважин; 7 — водоудаление
многоступенчатыми установками; 8 - инъецирование; 9 - другие способы
201
7.2. ДВИЖЕНИЕ ГРУНТОВЫХ ВОД
В общем случае строительный грунт представляет собой дисперс-
ную систему, состоящую из зерен грунта, воздуха и воды. Однако в
данной книге он рассматривается как двухфазная система, состоящая
из зерен грунта и воды, из которых последней, как более подвижной
фазе, уделяется больше внимания.
В этой двухфазной системе пустоты между неподвижными зернами
грунта представляют собой нерегулярную систему пор, которые находят-
ся в заполненном водой состоянии.
Фильтрация воды по этой системе пор зависит от многочисленных
факторов, которые необходимо учитывать в уравнениях движения
воды.
7.2.1. Потенциальное движение грунтовых вод. Теория потенциально-
го движения представляет собой основу исследования движения жид-
кости, в том числе движения грунтовых и фильтрационных потоков.
Ниже рассматриваются основные математические и физические основы
движения грунтовых вод в котлованах при рассмотрении вопросов во-
допонижения и при расчетах величины притока грунтовых вод.
Законы движения потенциальных потоков используются при реше-
нии многочисленных практических вопросов движения грунтовых
потоков при условии соблюдения закона Дарси и неиэменчивости ха-
рактеристик грунта.
Основные положения потенциального движения воды. Основные
положения стационарного объемного трехосного движения, которое
удовлетворяет законам потенциального движения и тем самым пред-
определяет неизменность объема, по которому происходит движение,
могут быть рассмотрены по представленному на рис. 7.5 полю скорос-
тей. Скорость движущегося объема жидкости раскладывается на состав-
ляющие в выбранной координатной системе. Скорость движения по оси
х обозначается при этом как и*, и гидравлический градиент — через ix.
Тогда для трех осей координат можем записать
L = ЭА / Эх; i - ЭА / by; i = ЭА / bz.
•Л Jy
Объем воды, который поступает в рассматриваемый элемент за соот-
ветствующий момент времени, будет равен
vxdzdy + v^dxdz + vz dxdy.
Объем воды, который выйдет из этого элемента, составит
v dzdy + dxdydz- dr / Эх + i’dxdz + dxdydz-bvjby + v dxdy +
Л л у у z.
+ dxdydz- Эг / dz .
В предположении неизменности элемента, по которому происходит
движение воды, объем входящей и выходящей из него воды должен
быть одинаков. Из этого положения получаем выражение для закона не-
разрывности в следующем виде:
Эгх / Эх + ЭРу / Эу + Эу2 / bz - 0. (7д )
202
Рис. 7.5. Объемный элемент поля скорос-
тей
Составляющие скорости в однородном изотропном проницаемом
грунте, в котором соблюдается закон Дарси, определим по формулам:
_ к ЭЛ ~ ЭФ . ., _ t ЭЛ _ ЭФ . _ г. Эй _ ЭФ
гх кдх ~ьГ’ У hdy~~3T’ z~ d^ дГ~
Запишем уравнение Лапласа для потенциального движения
э2_ф_+э’ф + а^= уф = 0
Эх2 Эу2 3z
(7.2)
(7.3)
где Ф— функция, представляющая потенциал движения, Ф = -kh.
Дифференциальное уравнение Лапласа является основным уравне-
нием потенциальной теории движения потока. Это уравнение показыва-
ет, что при постоянном объеме жидкости градиенты могут изменяться
лишь таким образом, что сумма всех отдельных элементов уравнения
всегда равна нулю. Поэтому в рассматриваемом поле скоростей изме-
нение градиента i может произойти только при изменении градиента
г с изменением знака на противоположный.
* Гидродинамическая сетка. Для более полного и детального изучения
законов движения жидкости и построения линий тока потенциального
потока необходимо вначале проинтегрировать уравнение (7.2). Если
при этом принимается, что х, у и z не зависят друг от друга, то получим
Ф (х, у, z) = —kh (х, у, z) + const.
Отсюда видно, что функция Ф^ z позволяет определить значение изме-
нения высоты водяного столба п. Для постоянного значения Ф(х, у, z)~
= const получают линию тока. Если подставить конкретное значение этой
постоянной, получается кривая, для которой потенциал, несколько иначе
записанный, имеет постоянное значение давления водяного столба. Эти
линии принимаются как потенциальные кривые. Направление гидрав-
лического градиента фильтрационного потока в каждой точке перпенди-
кулярно эквипотенциальной кривой. Соответствующая гидрвлическим
градиентам идентичная сетка кривых, т.е. сетка линий тока ф(х, у, z),
203
может быть также описана дифференциальным уравнением Лапласа в
следующем виде:
Э2^
дх2
Эу2
*4=^=0.
3z2
(7.4)
Отсюда видно, что сетки кривых Ф(х, у, z) = const и ф (х, у, z) = const
взаимно перпендикулярны и пересекаются. Это обстоятельство является
важным критерием для гидро динамических сеток. В силу этого гидро-
динамические сетки представляют собой большой интерес, так как по
ним могут быть определены все интересующие характеристики потока.
Их можно получить графическим способом при изучении устойчивос-
ти строительного грунта, равно как для изучения притока грунтовых вод
в скважины или котлованы. Линии тока и потенциальные кривые могут
быть построены математическим, графическим или экспериментальным
путем.
Часто применяемое графическое построение гидродинамической
сетки может использоваться в многочисленных практических случаях.
При этом исходят из определяемого геометрией грунтовых условий
поля потенциальных линий тока и строят сетку линий тока и потенциа-
лов. Затем проверяют соответствие таким образом построенной сетки
теоретическим значениям. При этом необходимо учитывать, чтобы ли-
нии тока и потенциала, т.е. так называемый криволинейный квадрат,
образовывали при пересечениях прямые углы, для которых средние
линии являлись бы постоянными значениями. В квадрат должны вписы-
ваться одинаковые по диаметру окружности, как это показано на рис.
7.6. После проведения корректировки будет получена сетка, соответ-
ствующая теоретическим положениям.
Полученные таким образом линии тока представляют собой идеали-
зированные линии тока, а линии равного потенциала — геометрическое
положение ряда точек, для которых характерно одинаковое значение
давления водяного столба h. При рассмотрении объемной задачи или
картины движения потока значение h = const соответствует потенциала
ним поверхностям, для которых поверхности тока располагаются взаим-
но перпендикулярно.
Пьезометрическое давление и в произвольной точке Р поля скорос-
тей определяется по формуле
u = hpPw& (7-Я
где й - пьезометрическая высота давления; pw — плотность воды; к - ускорение
свободного падения.
По длине потенциальной линии величины потенциального давления в
общем случае различны. Для случая шпунтовой стенки линии равного
потенциала и линии тока для потенциального движения, ко-
торые возникают при неограниченной толщине слоя грунтового пото-
ка, при одинаковой его толщине по высоте, при условии что верхняя и
нижняя поверхности потока имеют постоянные отметки, по теории по-
тенциального движения посредством конформного отображения могут
быть описаны формулой cj = arccos z/t, откуда путем введения комплек-
сной функции можно получить
COSCU = cos(<p + *V) - 1/t (х + I» .
204
Рис. 7.6. После скоростей разных
потенциалов
1 — пьезометрическая высота;
П — лилия, rpjca; 1 ~ давление для
{рг; 2 — давление для ip2» ? —
ление для ^>з
Рис. 7.7. Течение грунтового пото-
ка под стенкой в однородном
грунте
Полученные таким образом выражения записываются следующим обра-
зом:
х2 у2 _ ! х2 у2 _!
t2 cosh2 $ f2sinft2^ r2cos2«p f2sin2<p
(7-6), (7.7)
С помощью этих уравнений можно получить конфокальные эллипсы
или так называемые хипербеллсистемы. Входящее в них значение пара-
метра t соответствует половине расстояния между поверхностью грун-
та и подошвой шпунтовой стенки, а параметры v? и ф соответствуют
параметрам системы кривых. Геометрическая сетка и соответствующая
ей сетка потенциалов приведены на рис. 7.7. Для этого случая математи-
чески может быть доказано, что пересечение обеих сеток происходит
обязательно под прямым углом.
На рис. 7.8 показаны построенные сетки потенциального движения
для широких и узких котлованов при ограничении их шпунтовыми стен-
ками в условиях однородного грунта. На рис. 7.9 показана потенциаль-
ная сетка для углового участка котлована. Представленные на этих ри-
сунках сетки были построены с использованием электродинамической
модели, при этом для моделирования объемных ситуаций использовался
электролитический лоток.
С использованием этих выводов можно построить линии потенциаль-
ного тока жидкости между двумя параллельными стенками котлована
или траншеи. На рис. 7.10 показан общий вид электролитической уста-
новки с встроенной дополнительной стенкой, в которой смонтирована
модель узкого котлована с фронтальной стенкой. Необходимая строи-
тельная ситуация представляется в электролитическом лотке в перевер-
нутом положении. На рис. 7.11 изображена полученная на установке
205
Рис. 7.9. Распределение линий разного потенциала в сечении А -А (с). Б—Б (б)
и план котлована (в)
1 — отметка дна котлована; 2 - уровень грунтовых вод; 3 — водонепроницае-
мый слой; 4 — плоскость симметрии;------- — линии на внутренней стороне;
- _ динии на внешней стороне
сетка потенциальных линий, на рис. 7.12 изображена плоская сетка ли-
ний равного потенциала.
Дополнительные подробности построения сетки потенциального
движения потока на электрогидродинамической модели для условий
рассмотрения задач приведены в работах [57, 58,59 и 62].
В условиях, когда грунт в месте сооружения котлована представля-
ет собой слоистое основание, по сравнению с рассмотренными до сих
пор различными случаями для однородных грунтов, различие в значени-
ях коэффициента фильтрации слоев грунта приводит к образованию
новой гидродинамической сетки для условии потенциального движения
грунтовой воды.
Значение коэффициента фильтрации в горизонтальном направлении
в условиях вертикального течения ку может рассматриваться как для
я-слойкого грунта с толщиной слоев h& для которого могут быть запи-
саны следующие выражения:
Рис. 7.8. Распределение линий равного потенциала вокруг ограждений кот-
лов ан об
а — широкие котлованы с большой мощностью водоносных грунтов;
б - широкие котлованы со средним значением мощности водоносных грун-
тов; в — узкие котлованы; 1 — отметка уровня грунтовых вод; 2 — отметка
дна котлована; 3 — водонепроницаемый слой грунта
207
Рис. 7.10. Модель узкого котлована на электролитической
установке
*п п
2
1=1
к
t----S Jtfftj =J- Z W kv
л. i=1 И '-1 X V*/
=я J. (7-8), (7.9)
H
S fti/ki
i=l
В каждой горизонтальной системе, определяющей отдельный слой,
значение к^ > ку. Уравнение показывает, что ддя водопроницаемости оъ
Рис. 7.11. Линии равного потенциала на модели
208
РАЗРЕЗ А-А
Рис. 7.12. Распределение линий равного потенциала для узкого котлована
/ _ уровень грунтовых вод; 2 - продольная стенка котлована; 3 - отметка
дна котлована; 4 — фронтальная стенка котлована; 5 — водонепроницаемый слой
грунта;------- линий на внешней стороне;------- линии на внутренней стороне
дельного слоя многослойного основания значение для относительно
тонкого слоя грунта зависит от окружающих условий. В экстремальных
условиях полное значение водопроницаемости определяется по значению
водопроницаемости отдельных слоев. В горизонтальных слоях, как это
видно из (7.8), влияние отдельных слоев друг на друга значительно силь-
нее.
Из (7.8) и (7.9) получается, что слоистое основание может быть пере-
ведено в анизотропную систему, т.е. в систему, для которой водопрони-
цаемость является определенной функцией в каждом направлении.
По Кезди [54] следует, что в этом случае в общем виде справедливо
уравнение Дарси
v = ki>
(7-10)
rue v и i соответствуют векторной форме их записи.
Рис. 7.13. Расчетная схема
14-749
209
Для плоского потока в этом случае может быть записано следующее
выражение:
г = ( х ) и i = ( х ).
vy гУ
При этом для значения к справедлива следующая матричная запись:
к А
к.
ху
Здесь пси х и у представляют собой две произвольно направленные
взаимно перпендикулярные оси. Со средними значениями водопроницае-
мости к^ и kv главные значения, определяемые приведенной матрицей,
представляют собой адекватные значения. Векторы Г и i в общем случае
образуют между собой определенный угол, равный нулю только в том
случае, если направление течения грунтового потока параллельно или
перпендикулярно направлениям простирания слоев грунта. В том случае,
если направление движения потока перпендикулярно направлению
простирания слоя грунта, изменяется величина скорости грунтового
фильтрующего потока, которая в этом случае не соответствует скорос-
ти, определяемой для отдельного слоя.
Таким образом имеем, что = . . . = = . . . Отсюда следует
ri ~ - ~ = . -. =
Количество фильтрующей воды в направлении, перпендикулярном
направлению слоя грунта, может быть определено по выражению qv «
= = . . . = . = k^i^. Если при этом ввести значение высо-
ты столба воды Ай, то для слоя грунта ? = 1. Если предположить, что об-
разуемые сетками потенциалов и скорости квадраты взаимно перпенди-
кулярны и отстоят друг от друга на расстоянии а, а ширина потока при-
нимается равной I, получим из предыдущей следующую запись:
Ср -к 1.
р 1 а
Для примыкающих слоев г = 2 с расстоянием между потенциалами Ъ и
для / “ 3 с расстоянием с:
г дй . , дй <
«v=fes-j-a l; ч» =кз—аЛ>
откуда следует:
/д =к^/Ъ - к /с, а:Ь:с~ к \к :к .
a. fr J J ЛГ Л
Если к- = y.jQ и у ~ - рз , то можем записать
(7-И)
(7.12)
Фильтрационный поток в слоистом грунте при условии разных значе-
ний фильтрационных свойств каждого слоя соответствует концентрации
потенциалов в более близко расположенных слоях грунта.
210
При параллельном движении между отдельными слоями грунта в
направлении, перпендикулярном этой плоскости, сохраняется расстояние
между потенциальными линиями, т.е. оно может быть записано для слоя
1 по отношению к слою 2 как
a-.b=k:k=i-i (1ЛЗ)
IX XI
Квадраты сетки для одного слоя грунта в этом случае преобразуются
в квадраты сетки для другого слоя с размерами а-b. Если принять значе-
ние коэффициентов фильтрации двух смежных слоев грунта к t и к2, а
их отношение к = к /к , то получим
X 1
Ь=ак. (7.14)
На граничных плоскостях, которые разрезаются линиями потока не
под прямыми углами, наступает изменение направления течения фильт-
рационного потока. Сетка разрушения для этого случая, представлен-
ная на рис. 7.13, будет соответствовать зависимостям:
tg/3, /tgj3 = к /к или tga /tga /к (7.15)
При нарушении гидродинамической сетки в пограничном слое не-
обходимо учитывать, что линии тока жидкости и потенциальные линии
не во всех случаях будут взаимно перпендикулярны.
7.2.2. Физические свойства грунтовой воды. При выводе общих
зависимостей движения грунтовых и фильтрационных потоков чаще
всего вода рассматривается как идеальная жидкость, т.е. жидкость, не
имеющая трения и сжимаемости. Однако при специальных исследовани-
ях необходимо учитывать возникающие вследствие изменения темпера-
туры и колебаний давления изменения физических свойств воды, как,
например, изменения сил внутреннего напряжения. В данном разделе
рассматриваются физические свойства воды в том объеме, который
необходим для решения вопросов водозадержания при осушении и за-
щите котлованов от затопления.
Плотность. Плотность воды рн, представляет собой частное от деления
массы на скорость. Плотность воды зависит от ее температуры и имеет
следующие значения:
Температура Г, °C.....О (лед) 0 4 10 20
Плотность р^,, кг/м3..916,70 999,87 1000,00 999,73 998,23
При исследовании вопросов водозадержания плотность воды может
приниматься как постоянная величина pw = 1000,00 кг/м3.
Изменение объема жидкости. Незначительное влияние изменения дав-
ления на изменение объема жидкости может быть определено при извест-
ной величине модуля упругости жидкости Е = 2,07 ГПа.
Для определения зависимости изменения объема жидкости от из-
менения давления, т.е. изменения dr от величины dp справедливо выра-
жение
dp = -EwdV/V. (7.16)
Отсюда вытекает, что вследствие увеличения давления на Др - 1 кПа пер-
воначальный объем, рвавный 1 м3, уменьшается не более чем на 5,0х
xlO 7 м3. Этому же случаю соответствует влияние изменения темпера-
туры, что приводит к следующей величине объемно-температурного
коэффициента Д = ДИ/(ГД 7). В диапазоне температур воды в грунте
и при давлении воздуха 101,3 кПа = 1012 мбар значение /3 может быть
равно 18-10“ 5 на каждый градус изменения температуры. Это дает от-
носительное изменение объема при повышении температуры на 1°С.
При неизменном значении давления имеем
dF = F0d7. (7.17)
Поверхностное натяжение. На границе различных сред действуют
молекулярные силы внутреннего натяжения. Эти силы принято назы-
вать силами поверхностного натяжения. В зависимости от температуры
на границе поверхности между водой и воздухом сила поверхностного
натяжения будет равна:
г, °C................. 0 10 20
мН/м............. 75’6 74’2 72,8
Величина капиллярного подъема воды в трубке определяется из вы-
ражения
4(т COSCI
^oowcosa = hkA2T,pwgl4-, hk = —<№~--------. (7.18)
Для среднего значения температуры воды f = 8°С и для а. -> 0 (рис.
7.14) имеем
й* = 0,ЗЯ (7.19)
где — высота капиллярного подъема, см; d — поперечное сечение капиллярного
канала, см.
Поры в грунте естественного состояния, образующие натуральную,
естественную пористую систему грунта, являются совершенно различ-
ными, что не позволяет описать их каким-либо математическим вы-
ражением. В результате этого не может быть определено конкретное
значение высоты капиллярного подъема жидкости в грунте. Для опреде-
ления активного значения капиллярного подъема воды на h^a опреде-
ляющим является большее значение размеров поперечного сечения пор
в грунте. Вода в грунте под действием капиллярных сил может лод-
Рис. 7.14. Активное и пассивное ка-
пиллярное водоповышение в нерету-
лярком поровом канале
а — поровый канал; б — активный
водоподъем da = max d; в — пассив'
ный водоподъем dp = min d
212
Рис. 7-15. Степень водонасыщения при
активной (7) и пассивной (2) капил-
лярности
пяться вверх до этой величины, при этом по мере увеличения калил*
лярного подъема воды степень водонасыщения грунта падает.
При понижении уровня грунтовых вод или поступления воды с по-
верхности для величины пассивного капиллярного подъема уровня
воды определяющим будет наименьший размер пор в грунте. На
образующихся в этих случаях водных менисках висит столб воды в грун-
те. Это явление имеет значение при определении степени водонасыщения
грунта при осуществлении водопонижения под действием гравитацион-
ных сил. На рис. 7.15 показано положение линии пассивного значения
капиллярного водоподъема при определенном насыщении грунта водой
после понижения уровня грунтовых вод в функции от высоты. Линия
активной капиллярности показывает степень водонасыщения при подъ-
еме уровня грунтовых вод. Для грунтов с мелкозернистой структурой,
согласно уравнению, приведенному в работе [42], пригодны следующие
отношения между величинами активного и пассивного водоподъема:
hka = (ОЛ...О,75)ЛАр. (7.20)
Капиллярный водоподъем определяется экспериментальным путем
[54]. Данные о величине капиллярного водоподъема для некоторых
наиболее распространенных грунтов приведены ниже:
Г равий.......................й* <50 мм
Крупный песок.................h < 200 мм
Среднезернистый песок.....„ . . -й£ = 200...400 мм
Илы, пылеватые пески, лёсс....-1 000... 10 000 мм
В грунтовом скелете образующиеся мениски при подъеме грунтовой
воды приводят к возникновению напряжений, которые могут быть
обозначены как величина капиллярного давления и имеют значение
Pk=PwShk-
213
Вязкость. В потоке грунтовой воды, движущейся по слою грунта и
имеющей тип ламинарного течения, между двумя смежными потока-
ми, движущимися по параллельным смежным слоям, возникают силы
взаимного трения. Возникающие в смежных плоскостях воды силы тан-
генциальных напряжений т зависят от рода жидкости, ее температуры,
разницы скоростей потоков dr и расстояния между слоями dz и мщут
быть определены по формуле Ньютона
T = rjdv'/dz. (7-21)
Запишем это выражение относительно rj
Tj=Tdz/dv, (7.22)
где Я — коэффициент динамической вязкости, Пас.
Кроме приведенных величин используется также целый ряд других,
как, например, допустимые силы, умноженные на величину допустимой
продолжительности действия и отнесенные к допустимой величине пло-
щади, Н-с/м2.
Зависимость коэффициента динамической вязкости от температуры
может быть определена из формулы
= 1,7840~э/(1+0,0337г+0,00022 k2), кг/(м с). (7.23)
При температуре воды t = 10°С получим
71 о = 1,31 10 , кг/ (м-с). (7.24)
-L U Vj
Отнесенные к слою грунта динамическая и кинематическая вязкости
затем используются для изучения различных форм движения воды в
грунтах. Динамическая и кинематическая вязкости находятся между
собой в следующей зависимости:
v = »?/р- (7-25)
Для расчетов, которые проводятся с учетом температуры, справедлива
зависимость
vt = 1,78-10“б/(1+0,0377^+0,00022 k2). (7.26)
Отсюда при температуре воды I = 10°С получим
. о -1,ЗЮ40-м2/с. (7.27)
Л. U
Вязкость воды учитывается при определении пропускной способнос-
ти рыхлых грунтов.
7.2.3. Движение грунтовых вод под действием гравитационных сил.
Находящаяся в грунте вода может рассматриваться с различных точек
зрения. По Кезди [54] формы проявления воды в грунте подразделяют-
ся на поровую, находящуюся в химическом соединении с веществами
грунта, адсорбированную и структурную. Ниже дается деление грунто-
вой воды в зависимости от ее проявления:
свободная вода, находящаяся в свободном или напряженном состоя-
нии, которая, заполняя поры между частицами грунта, соединяет их
214
между собой, движение которой может происходить лишь под действи-
ем гравитационных сил и вызывается обычно действием поверхностных
вод;
фильтрационная вода, которая под действием вызванного строитель-
ными условиями перепада давления двигается по порам грунта до соору-
женного котлована и образуется из свободной воды, находящейся в
грунте;
вода, находящаяся в водопроницаемых слоях грунта средней мощнос-
ти или на их границе и выступающая из них;
вода в трещинах (защемленная) находится в полостях прочных
грунтов и движется по трещинам между ними;
источники представляют собой ограниченные по месту их проявления
выходы грунтовых вод;
капиллярная в'ода, которая под действием сил поверхностного натя-
жения в грунте поднимается на отметки выше уровня грунтовых вод;
при этом разделяются зоны замкнутого и открытого капиллярного
подъема, при этом открытая капиллярная вода находится в состоянии
соединения с грунтовой водой и в отличие от замкнутой содержит в
себе некоторое количество воздуха;
просачивающаяся вода проникает в грунт с поверхности и через час-
тично наполненные воздухом поры грунта опускается вниз, при этом
движение происходит под действием гравитационных сил и капилляр-
ности;
захваченная грунтом вода образуется вследствие наличия поверхност-
ного натяжения на зернах грунта; при этом вода, находящаяся в углах
между смежными частицами грунта, обозначается как поровая вода в
углах между частицами грунта; если в отдельных местах поры грунта
полностью заполнены водой без соединения ее со свободной водой, то
такую воду относят к связанной воде;
адсорбированная вода — это крепко соединенная с частицами грунта
вода. Движение воды в грунте может происходить по единственному
направлению под действием имеющегося перепада давления по замкну-
тым между собой ходам, образующимся между порами грунта. При этом
каналы по длине меняют форму и площадь поперечного сечения. Это
движение подчиняется определенным законам, в связи с чем необходимо
учитывать достаточно большие элементы потока при его движении в
разнородном грунте.
Давление потока. Движение грунтового или фильтрационного потока
между двумя находящимися в рыхлом грунте слоями возможно лишь
в том случае, если между ними существует разница потенциалов. Пере-
пад потенциалов на определенном по длине участке и в определенном
направлении определяется по приведенным в разд. 7.2.1 уравнениям и
называется гидравлическим потенциалом
i = -ДА /Д/. (7.28)
Потеря энергии ДА фильтрационной воды на пути фильтрации Д/
как массовая сила переносится на грунтовый скелет. Эта массовая сила
определяется как давление потока и обозначается р$. Давление потока,
которое образуется и действует на грунтовый скелет отдельной струй-
кой, имеющей площадь поперечного сечения dF = 1, может быть опреде-
лено по уравнению Бернулли (рис. 7.16)1
215
При dFi = dF^ может быть записано уравнение ——dx - 0, откуда
Арифметическая сумма изменения величины столба давления (ЗА/
/Ьх)6х и разница высот между рассматриваемыми сечениями, между
которыми происходит движение грунтового потока, определяется ве-
личиной потерь на гидравлическое трение dA
Так как для ф? была наперед задана площадь сечения потока dF~l,
то можем записать, что
_ „ PwZ^h
Ps dl dl '
Если величина h принимается равной Ацр то давление потока грунтовой
воды может быть определено как
= <7-29>
Направление силы совпадает с направлением падения градиента. Мас-
совая сила ps в векторной форме может быть суммирована с гравита-
ционными силами. Если в вертикальном потоке
Psi= ipwg = Р > = G “ «) (ps - pw (7-30)
216
то величина градиента обозначается как критическое значение гидравли-
ческого градиента т.е.
ik=(l -п)(ps-pjlpw = = (731>
*w
На этой стадии сумма действующего напряжения р в сечении призмы
водопроницаемого грунта на глубине х и давление потока внутри этой
призмы будет равна нулю. Действительное напряжение р определяется
разницей между полным напряжением р и нейтральным напряжением р&
причем последняя величина является гидростатическим давлением. Для
водопроницаемой грунтовой призмы, которая лежит в направлении
имеющегося грунтового потока, можно записать (см. рис. 7.7):
p + xPsl=p-pd + xpsl =0;
Решив это уравнение, получим
Скорость движения грунтового потока воды. При изучении движения
грунтовой воды обычно во всех случаях предполагается, что зто движе-
ние происходит в ламинарном режиме. Для подтверждения справедли-
вости этого положения были проведены многочисленные опыты, при
этом исследователей интересовала только верхняя граница, лежащая
между ламинарным и турбулентным движением. Точно установлено,
что принятое положение зависит как от физико-механических, так и
физико-химических свойств грунта, а также от величин гидравлического
градиента. Приведенные в литературе граничные условия обычно опре-
деляются критическим значением числа Рейнольдса RI& и зависят от
действующего размера частиц зерна dw и граничного значения градиента
Нерегулярная структура водопроницаемого грунта означает, что не
может возникнуть мгновенное изменение турбулентности потока.
Верхняя зона справедливости закона Дарси определяется по Люде-
вигу [77] при
где А — 0.5 6а af~ 0,65 для песка и гравия; аи = 1,201/'’° ’46; к — значение
коэффициента фильтрации при t = 10°С; U — степень неоднородности грунта.
Это выражение справедливо в пределах 540-4 м/с <fc10 < 5-10—1
м/с и U < 10. Закон Дарси для различных условий движения потоков
при ламинарном движении означает, что
„ =* Э_(-е_ + 2), (7.32)
г# у — скорость потока или фильтрационного потока; к — коэффициент фильтра-
ции* Э/ — величина рассматриваемою элемента в направлении движения потока;
р/р^ - величина столба давления; z - геометрическая высота рассматриваемой
точки.
217
Выражение
Ы Pwg
во многих случаях обозначается как величина статического падения
уровня водной поверхности. Если ввести значение гидравлического
градиента /, то можно получить уравнение закона Дарси в следующем
виде:
v ~ki~ —к ДИ / Л/. (7.33)
Среднестатическая скорость потока г (6), называемая скоростью
струйки в поровых каналах водопроницаемого грунта, определяется
по выражению
р, =_^_и=^ДЛ _L.
6 А/ Г А/ п
Если ввести коэффициент а, учитывающий изменение скорости пото-
ка по сечению при больших значениях скорости, то будет справедлива
запись
о Д/ п
На границах слоев грунта могут наступить изменения значений скорос-
ти. При этом происходит изменение высоты столба воды, которое может
быть определено по формуле
h = .
размеров зерен грунта и их строению существует множество
формул, которые записываются в виде следующих зависи-
или k = Cfin)d2w,
Коэффициент фильтрации для различных водопроницаемых грунтов.
Для определения значения коэффициента фильтрации к по известным
значениям
различных
мостей:
где dw - действующий диаметр зерна, в большинстве случаев d : С — посто-
янная константа. '
Приведенные значения были модифицированы Байером [9], для
которых он определил значения С в зависимости от неравномерности
грунта U для морфологических условий ГДР (рис. 7.17,а). Выражение
t=CdJ0,M/c, (7.34)
может быть использовано в диапазоне d = 0,06 мм и U = 1...20. При
экстраполяции в диапазоне, выходящем за названные выше пределы
(d10 = 0,01 мм), могут быть получены ошибочные значения. По диаг-
рамме на рис. 7.17,6 может быть непосредственно определено значение
коэффициента к. В случае, если отсутствуют данные о распределении
неравномерности зерен грунта, значения к могут быть определены по
табл. 7.3 [19].
18
Рис. 7.17. Определение пропускной способности рыхлого грунта в зависимости
от его зернового состава [9J
а — зависимость константы С от степени неоднородности зерен грунта U;
б - зависимость между значениями и величиной к
Таблица 7.3
Несвязные грунты
Мелкий гравий
Песок с гравием, крупный песок
Средний песок, песок различной смеси
Мелкий песок
Пылеватые пески
Глина, глинистый песок
Лёсс, лёсс с глиной
Глина
Средние значения коэффициента
фильтрации £, м/с
I0-2
10 2...10“3
10 3...1(Г4
КП4...1(Г5
10 5 ...10 в
10 6..ло~8
1СГб...1СГ9
10
Для котлованов больших размеров, рассчитанных на длительный
срок службы, при необходимости значительного понижения уровня
грунтовых вод требуется повышенная точность в определении коэффи-
циента фильтрафии — проведение опытного водопонижения. Эти проб-
ные откачки воды из котлованов или грунтов позволяют определить
более точные значения коэффициентов фильтрации для конкретных
условий. Для этой цели создаются один или несколько опытных колод-
цев, в которых проводятся измерения колебаний грунтовых вод. Более
подробные технические данные по способам откачки и определению
значений коэффициентов фильтрации приводятся в работах [17, 147,
Для рассматриваемых в настоящей книге способов водопонижения
для малых и средних объектов значения коэффициентов фильтрации
можно определять по данным табл. 7.4. Измерения глубины водопони-
жения в водозаборных и наблюдательных колодцах должны произво-
диться в течение длительного времени. По данным измерений и в зависи-
мости от длины путей фильтрации вычисляются значения коэффициен-
та фильтрации к.
219
Рекомендации по устройству водозаборных и наблюдательных колод-
цев более подробно рассмотрены в разд. 9.2.2. Наблюдательный коло-
дец не должен быть расположен дальше 5 м от колодца, в котором про-
изводится водоудаление. Это расстояние может быть больше в случае
расположения колодца в крупных грунтах и при большой толщине слоя,
из которого производится водоудаление. Расстояния между наблюда-
тельными колодцами принимаются равными от 1,5 до 2,5 их глубины.
В гетерогенных строительных грунтах водопроницаемость отдельных
слоев может сильно меняться, при этом также сильно будет изменяться
количество поступающей воды по отдельным слоям. В связи с этим
количество поступающей грунтовой воды может определяться как для
горизонтальных, так и вертикальных слоев по (7.8) и (7.9).
Таблица 7.4
Определяемые
значения
Схема
к, м/с
водозабор- наблюда-
ная сква- тельная
жина скважина
Водозаборная скважина доходит до водонепроницаемого слоя
ВДбЛНДАТЫЪМАЯ
вадйЗАБОГНДЛ
сквлжикд
<7; й
<71 для/?! -
9, Д"я Л,
Я *2 ” *1
s
Водозаборная скважина не доходит до водонепроницаемого грунта
0,366(7 (lg х - lg х )
к =--------------------------
(s9 -s.) (2s — s -s + 7)
L x- J.
1’ 2
q; s
S1
2r
0,366x7 0g*, -Шл)
(s- (s- sx +7)
220
Определяемые Схема
Продолжение табл. 7.4
Определяемые
значения
Схема
к, м/с
водозабор-
ная сква-
жина
наблюда-
тельная
скважина
—
<Г> s
0,366? (1g R — lg г)
(s + l)s
Примечание. /? — 3000 $ у/ (й), м; / - длина пути фильтрации, м.
7.3- ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРОРЫВ ГРУНТА
В котлованах с открытой водной поверхностью и водонепроницае-
мыми стенками вокруг котлована при недостаточной глубине забивки
стенок (например, шпунтовых) часто возникают дополнительные ослож-
нения. Они могут быть связаны с недостаточной несущей способностью
основания котлована, с появлением местных выходов источников
грунтовых вод, повышением отметки грунта вдоль стенок котлована
или прорывом грунта основания. В результате происходит разрушение
грунта и стенок, ограничивающих котлован, как это показано на рис.
7.18. Это разрушение было вызвано неравномерностью грунта в основа-
нии котлована, недостаточно высоким качеством выполнения работ по
выемке грунта и неправильным выбором способа крепления стенок кот-
лована, обеспечивающих необходимую устойчивость грунта.
В случае открытой поверхности воды или при наличии-водопроницае-
мых грунтов между отметками свободной поверхности воды за предела-
ми котлована и поверхностью воды в пределах котлована между ними
возникает фильтрационный поток или поток грунтовых вод (см. рис.
7.7) с соответствующим давлением на грунтовый скелет водопроницае-
мого грунта. При неблагоприятных условиях этот грунтовой или фильт-
рационный поток может привести к гидравлическому прорыву грунта.
В связи с этим возникает необходимость определения гидродинамичес-
кой устойчивости грунта.
7.3.1. Гидравлический прорыв в гомогенных строительных грунтах.
Впервые гидравлический прорыв грунта был подробно исследован
Терцаги в начале 1920-х гг. С тех пор было разработано много различ-
ных методов определения устойчивости грунтов. К ним можно отнести
работы Харда, Давиденкова, Чугаева, Эхса, Магнела, Базанта и Какоу.
Кроме этого существует ряд приближенных методов для различных
геологических условий, позволяющих существенно упростить рассмот-
рение данной задачи [57].
Довольно часто применяемый в настоящее время метод Терцаги
[136] основывается на построенной гидродинамической сетке, которая
используется в качестве исходных данных для этих расчетов. По сетке
определяется величина гидродинамического давления на основание кот-
лована, ограниченного замкнутой водонепроницаемой стенкой, при ус-
ловии, что котлован имеет прямоугольную форму в плане и его ширина
221
Рис. 7.18. Разрушение стенок котлована вследствие гидравлического прорыва
грунта
а — вид с нижнего бьефа; б ~ вид с верхнего бьефа
Ь равна половине внутренней глубины t-. Стенки котлована и собствен-
ный вес призматического объема учитываются в качестве пригрузки.
По этой же сетке определяют значение критического водяного столба,
воздействующего на основание котлована.
Среднее критическое гидродинамическое давление (рис. 7.19) =
- - Ло. Если в это выражение для критической плоскости сечения
подставить mhwpwg, то получим H2timhwpwg = l/2f-(1^) (ps - pw)g.
При этом длина призматического участка в направлении стенки прини-
мается равной 1;
Если далее принять, что pw = 1 и (1— (ps - р^) = р*, то можно по-
лучить критическую величину гидродинамического давления
=£к- <7-35»
222
Рис. 7.19. Расчетная схема по Терцаги для
проверки устойчивости против гидравли-
ческого прорыва грунта
При известных значениях характеристик несвязных грунтов при расче-
тах учитываются лишь значения пористости грунта w и плотность р$.
В расчетах по методике Давиденкова [25] принимается, что поток
грунтовой воды от подошвы стенки котлована до сто основания пред-
ставляет собой параллельный поток. Это положение учитывается в даль-
пейшем при определении критерия устойчивости грунта. Прорыв грунта
под действием гидравлического давления может наступить, когда нагруз-
ка от грунта со стороны стенки котлована будет меньше, чем нагрузка
от грунта под действием грунтовой воды, направленной вверх. В таком
случае величина критического давления воды определится по следующей
зависимости:
р'Г,-
hwk=’ (7.36)
Wf
где -Рр - потенциал у подошвы стенки котлована.
Однако в данной методике не учитывается распределение потенциала
и степень водопроницаемости или рыхлости водопроницаемого грунта.
В разработанном методе расчета, изложенном в работе [57], автор
исходит из предположения, что небольшое поднятие грунта у стенки
котлована в начале обрушения ограничивается эллиптической формой
водной поверхности потока. С увеличением рыхлости разрушение грун-
та постепенно расширяется, при этом водная поверхность также постепен-
но расширяется. Критическое состояние наступает, когда векторная
сумма всех результирующих вертикальных составляющих давления
грунтового потока в части подъема грунта с учетом возникающих при
этом сил трения будет равна нулю. При критическом гидравлическом
давлении воды изменяется равновесное состояние грунта, но не проис-
ходят его обрушение и появление поверхностной воды.
Гидравлическое значение падения напора и определяемое им давле-
ние грунтового потока в произвольных точках поля движения потока
223
были определены по дифференциальным уравнениям Лапласа путем
перевода потенциального движения потока в фильтрационный поток,
В результате этих расчетов для определения критического значения гид-
равлического давления в гомогенных строительных грунтах было полу-
чено следующее выражение:
hWk~- “h- <7-37)
где Си — функция, определяющая геометрию котлована.
При этом различаются случаи, когда можно принебречь влиянием
сил трения, и тогда задача рассматривается как идеальная, или когда
задача ставится для условий реального грунта. При этом принимаются
следующие исходные положения:
движение грунтовой воды определяется по законам потенциально-
го движения;
движение грунтовой воды принимается ламинарным, что позволяет
применить уравнение Дарси;
строительный грунт является гомогенным и изотропным;
грунт вокруг котлована водонепроницаем.
Z5J.7. Широкие котлованы. Котлованы считаются широкими, если
Д = B/ta >5, и узкими, если 0 < 5, где В - ширина котлована, a ta - глу-
бина забивки шпунта по отношению к отметке грунта с внешней сторо-
ны котлована.
Функция со в (7.37) может быть применима для любых грунтовых
условий в интервалах 0 < X *£ 0,9 и 0 < а < 0,9;
<, = ^41,501^)14-^-. (7.38)
(7.39)
Для котлованов, основание которых находится на отметке уровня
грунтовых вод, т.е. для условий выемки грунта, при котором а = 0,
имеет место следующее выражение:
_ тг2 +X
4 41,5|lgXj
При большей мощности водопроницаемого слоя грунта а = 0 приве-
денное выше выражение можно упростить и записать в следующем виде:
со=тг2/4 = 2,467, (7.40)
где X - соответствует условиям строительства; а = — глубина забивки шпун-
та в грунт по отношению к отметке подошвы котлована, Н — толщина водопро-
ницаемого слоя грунта, м; строительная глубина котлована, м.
Экспериментальные исследования автора [57] по определению влия-
ния размеров зерен несвязного грунта на величину критического значе-
ния гидравлического давления позволили получить следующие резуль-
таты. Для несвязного грунта с одинаковым размером зерен, т.е. вполне
однородного грунта, величина критического значения гидравлического
давления воды прямо пропорциональна размеру частиц. В грунтах с не-
однородными частицами значение плотности сложения грунта влияет в
большей степени на величину гидравлического давления, чем прираще-
224
ние значения д'. Это происходит за счет большего значения сил трения
по мере увеличения плотности грунта.
Размеры зерен грунта в условиях ламинарного движения грунтовой
воды в грунтах, не имеющих силы внутреннего сцепления, не определя-
ют значение гидравлического давления. Коэффициент фильтрации в го-
могенных грунтах при ламинарном движении не оказывает влияния на
характеристику гидравлического прорыва грунта в котлованах с замк-
нутым периметром ограждающих стенок при свободной водной поверх-
ности.
Исследования показывают, что критическое значение гидравличес-
кого давления в большей степени зависит от степени неоднородности
зернового состава грунта U и от действующего угла внутреннего трения
Ф'. Запишем эмпирическую формулу для этого условия
=0,45 и tgФ', (7-41)
цде — разница функций GJ* (с учетом сил трения) и СО (без учета сил трения)
при гидравлическом прорыве грунта.
По аналогии с используемыми для идеальных грунтов уравнениями
для условий реальных грунтов также может быть использована следую-
щая зависимость:
h*wk= С7’42)
Если в эту зависимость подставить значение pw = 1 и = w**, то
1=40 (7.43)
В общем виде функция
qj* = w + wv. (7.44)
Значения со* могут быть определены по приводимым ниже уравнени-
ям или по номограмме на рис. 7.20. При этом необходимо учитывать,
что для грунтов, не имеющих силы внутреннего сцепления, приводимые
значения применимы в пределах от 1 < U < 5 и 30° < Ф' < 40 . Для
рыхлых грунтов с U > 5 необходимо принимать максимальное значение
U=5.
Результаты проведенных автором исследований показывают, что при
U > 8 опасность возникновения гидравлического прорыва грунта отсут-
ствует. Однако необходимо учитывать, что рыхлый грунт с £/> 8 при на-
личии фильтрационного потока имеет большее значение гидравлического
градиента, что вызывает большую опасность эрозионного и суффозион-
ного разрушения грунта. В результате этого в таких грунтах при длитель-
ном действии фильтрационного потока может наступить эрозионное или
суффозионное разрушение.
Пример. Необходимо осуществить глубокое ограждение замкнутого котлована,
при котором устойчивость против гидравлического прорыва грунта была бы
равна 2. и
Толщина водопроницаемого слоя грунта Н = 12 м; максимальное гидравличес-
кое давление водяного столба й = 6,5 м; максимальная глубина котлована t „ =
" 3 м. н &
Характеристика строительного грунта: средний песок, U = 2,0; Ф7 = 35°: л =
- 0,40; Ps = 2,65 т/м3. п
15- -749
225
Рис.7.20. Номограмма для определения критического значения гидравлического <
напора для широких котлованов
3
1- Определение необходимой глубины забивки шпунта при помощи расчетных j
уравнений.
Глубину погружения шпунта по отношению к отметке основания котлована J
(она может быть определена статическим расчетом как среднее значение) получим
при Г = 3,0 м из (7.38), (7.41) , (7.42) и (7.44)
***. =—[т + l,50|lj:(l-a)| + -1 r--7- + 0.45Ctg<f]. I
WK Р„. 4 41,5 DgAl .!
Ир Ч
г
Дня расчета по этому уравнению необходимо определить дополнительные ве- |
личины: 1
Х = £/Н = (3+3)/12 = 0,5; j
>3 ' |
а = /— = 3,0/ (3+3) = 0,50;
° 1
р' = (1 -ли) (Ps - PUf) = (I—0,40) (2,65-1,0) = 0,99 т/м3. |
Подставив эти значения в приведенное уравнение, получим j
hwk ~ 3,58fj “ 3,58-3 = 10,74 м. J
226
Значение устойчивости против возможного гидравлического прорыва по (7.48)
будет равно:
Пв = /W1 maxAw = 10’74/6’50 = Ь65 <2-00-
Отсюда следует, что глубина погружения шпунта по отношению к отметке дна кот*
лована должна быть увеличена. Принимаем значение I- = 3,7 м. Тогда
Х = (3+3,7)/12 = 0,56; 0 = 3/(3+3,7) =0,45.
Подставив эти значения в приведенные выше уравнения, получим
/А = 3,5 39ь = 3,539-3,7 = 13,09 м;
WrC J
TjG =13,09/6,5 =2,01 >2,00.
2, Определение необходимой глубины погружения шпунта при помощи номо-
грамм.
По номограмме (см. рис. 7-20) для значений Л = 0,50 и а — 0,50, получим: U =
= 2; Ф = 35°; р' / pw = 0,99; со** = 3,58 и = 3,58-3 = 10,74 м.
Дальнейший расчет проводится с применением той же номограммы для зна-
чений: X = 0,56; п ~ 0,45. Получим (7 = 2; Ф = 35° и p'/pw = 0,99; СО** = 3,54 по-
добно тому, как это было определено выше.
3. Определение необходимого заглубления Г^в углу котлована.
Для ~ 3,7 м наружная глубина заглубления края котлована определится
из выражения
la = =3+3,7 =6,7.
По (7.49) и рис. 7.25 для значения а = 0,45 получим
t£ = 1,42-6,7 =9,51 м.
73.1.2. Траншеи. При расчете траншей, аналогично тому, как это име-
ло место при расчете широких котлованов, вначале используется теоре-
тическая база идеального грунта, основанная на потенциальном движе-
нии грунтового потока. Затем применяются граничные условия для ре-
альной характеристики грунта, в котором происходит сооружение кот-
лована и движение грунтового потока.
Для определения характера движения грунтового потока с достаточ-
ной точностью может быть применен расчет параллельного потока. Для
сечений строительного грунта, в которых 0 < X < 1,0; 0 < а < 0,75 и
О <0 < 0,5, может быть применено выражение
w = l/^F- (7.45)
Если потенциал не определен экспериментальным путем, то его
значение может быть найдено по рис. 7.21 ,а. После этого по рис. 7.21,5
определяется значение потенциала <pF для котлованов, которые распо-
лагаются в условиях грунтовых вод.
Котлованы, поперечное сечение которых /3 = B/ta лежит в интервале
0,5 < fl < 5, относятся к так называемому переходному виду. Функция
= /(/3, X, с) определена в этом случае исходя из предположения потен-
циального измерения для различных геометрических условий, которые
представлены на рис. 7,22.
Исследования узких котлованов на моделях в условиях реальных
рыхлых грунтов показали, что для условий параллельного грунтового
227
Рис. 7-21. Определение потенциала \рр у основания стенки котлована
а — котлованы в открытых водоемах [26 ]; б - котлованы в условиях грун-
товых вод [75S]
228
Рис. 7.22, Значения функции (Цдля узких котлованов переходного вида и свобод-
ного от действия сил трения грунта
потока (3 < 0,5) действительные критические значения давления не-
намного больше, чем определенные для идеального грунта теоретичес-
ким путем. Это может быть объяснено наличием сил трения, которые
в нижней части потока меняют свое направление при изменении места
положения частиц грунта.
Для условий очень узких котлованов 0 < 0 < 0,5; 0 < X < 1,0; 0 <
С а < 0,75 значение
и* = 4fF (7.46)
ГЛ
может быть подставлено в (7.42). При этом «рг- — среднее значение
гл
потенциала по поверхности, которая ограничивается подошвой стенок
котлована. Этот потенциал должен быть определен по имеющейся для
этого случая потенциальной сетке.
Для условий X < 0,67 и а С 0,50 значения со* могут быть определены
по данным, приведенным на рис. 7.23.
Для практических условий при 0,5 < р < 5; 0 < X < 0,8 и 0 < а < 0,75
будет справедлива зависимость
= <о+ («'• - и* )lg(5/0) +а>„ 1g(20),
(7.47)
229
Рис. 7.23. Значения функции со* для узких котлованов в условиях
параллельного течения грунтовой воды для реальных грунтов
где gj — значение функции для условий выпора при отсутствии сил трения (опре-
деляется по рис. 7.22 для /З-5/r^); 5 - значение функции (определя-
ется по рис. 7.23 для /3 = 0,5); - ’значение функции (определяется по
pHCf 7.22 при р = 0,5) ; = 0,45 (7tgT^(max(/ ~5).
По соображениям надежности в случаях неопределенности грунто-
вых условий рекомендуется не превышать допустимого гидравлического
давления на грунт. При этом должна также учитываться глубина распо-
ложения водоупорного слоя под основанием котлована.
7.5.1.3. Расчет устойчивости грунта против выпора. Устойчивость
против гидравлического прорыва грунта для условий идеального грунта
определяется по следующей зависимости: rjG = h / max/zw; для усло-
вий реального грунта по зависимости
(7-43)
Значение критического гидравлического давления для этих условий
определяется по (737) и (7.42). Максимальное гидравлическое давле-
ние hw представляет собой середину между положением наивысшего и
Рис. 7.24. Уровень грунтовой воды ниже отмет
дна котлована
230
наинизшего уровня воды. Если наинизший уровень воды располагает-
ся ниже наинизшей отметки котлована (например, на высоте дренаж-
ных труб), тогда с максимальной точностью должны быть определены
значения й и /у по отношению к положению основания котлована. Ес-
ли разница между отметками дна котлована и положением наинизшего
уровня воды не повышается, то в этом случае положение уровня воды
может рассматриваться как идеальная отметка воды. В этом случае
можно рассматривать вышележащий слой как дополнительную нагруз-
ку. Если толщину этого слоя обозначить Q (см. рис. 7.24), то величина
дополнительной пригрузки может быть определена как Р~Рп gte-
Приведенные выше расчеты можно использовать, если средняя плот-
ность грунта р' и показатель а будут соответствовать следующим вы-
ражениям :
а = <'л + геЧ-
В этих случаях необходимо произвести проверку устойчивости грунта
от прорыва грунтовой воды, при этом необходимо также учитывать
значение
Значение коэффициента запаса устойчивости грунта т?с в свою очередь
зависит от равномерности грунта, характеристик строительного грунта,
продолжительности строительства и допустимой степени риска при со-
оружении котлована. Для котлованов, сооружаемых в открытых водое-
мах, значение коэффициента устойчивости должно приниматься в диапа-
зоне 1,60 < t)g *£ 3,00. При определении значения й^ для условий иде-
ального строительного грунта (среднеплотные и плотные пески, гравий)
значение коэффициента устойчивости принимается в диапазоне 1,50 <
<7^ <2,00.
Специальные более подробные исследования по определению значе-
ния коэффициента устойчивости в зависимости от приведенных выше
факторов приводятся в работе [147].
7.3.1.4. Гидравлическое разрушение грунта в углах котлована. Опас-
ность гидравлического прорыва и местах изменения формы и направле-
ния стенок котлованов наиболее велика, так как из-за появляющейся
здесь концентрации линий равного потенциала и скоростей возникает
напряженное состояние грунта. Одинаковая устойчивость против гид-
равлического прорыва может быть достигнута в том случае, если в уг-
лах или по фронтальным стенкам облицовки будет изменена их высота.
При этом в углах высота стенок должна быть увеличена, высота фрон-
тальных стенок — уменьшена. Этим самым может быть достигнуто оди-
наковое значение перепада давления на путях фильтрации воды в котло-
ван, что не приведет к ее концентрации в одном месте.
Исследования автора на моделях позволили установить, что при пони-
жении подошвы стенки при ее приближении к углу котлована с укло-
ном 1:4 и меньше в местах углов никаких гидравлических прорывов
воды в котлован не происходит. Отсюда необходимая степень заглубле-
ния угла котлована может быть определена по зависимости
Критические значения заглубления угла котлована приве-
дены на рис. 7.25. Используя эти значения, которые в свою очередь за-
231
Рис. 7.25. Необходимое заглубление ejt углов широких котлованов
висят от от, можно вычислить величину необходимого заглубления угла
котлована tg
tE = ekta. (7-49)
Как показал опыт, это выражение может применяться с достаточной для
практических расчетов точностью при проектировании котлованов.
Повышенная опасность гидравлического прорыва в узких котлованах
возникает также в части их продольных стенок. Для выяснения этого
вопроса экспериментальным путем были проведены исследования по
определению необходимой критической глубины = tg/t, при которой
вероятность проявления гидравлического прорыва одинакова как в •
углах, так и в любом месте продольных стенок. По результатам иссле-
дований была дана рекомендация, что нижняя кромка продольных сте- 4
нок узких котлованов в направлении к углам должна опускаться вниз У
с наклоном не менее 1:3. Значения критического заглубления можно
получить по рис. 7.26.
Модельные исследования узких котлованов показали, что их фрон-
тальная стенка должна заглубляться по концам на величину tg> так как
в противном случае не обеспечивается необходимая устойчивость против
гидравлического прорыва воды в котлован.
7.3.2. Гидравлический прорыв в слоистых грунтах. Необходимость
расчета возможности гидравлического прорыва воды в котлован в ус-
ловиях слоистых грунтов необходимо проводить не только для условий
залегания слоистого основания котлована, но также и для всех возмож-
ных критических условий.
ПОКАЗАТЕЛЬ ШИРИНЫ КОТ ЛОПАНА й
Рис. 7.26. Условия заглубления у гл*
котлована на фронтальной старо
узких котлованов
232
Рис. 7.27. Распределение пиний равных потенциалов
в случае двухслойного основания
а - покрывающий слой располагается относи-
тельно близко; б — покрывающий слой располага-
ется относительно далеко;------— граница слоев
грунта
7.3.2.L Двухслойные грунты. Различная водопроницаемость отдель-
ных слоев грунта оказывает значительное влияние на величину крити-
ческого гидравлического напора. При этом верхний слой грунта рассмат-
ривается как покровный.
Потенциальное распределение фильтрационного потока вокруг кот-
лованов, расположенных в слоистых грунтах (рис. 7.27), показывает,
Рис. 7.28. Схема для расчета критического гидравлического напора в двухслой-
ном грунте при к\ > к2 [62]
а - расчетная схема котлована; б - расчетная схема для области В2; в —
расчетная схема для области В1 — горизонтальное основание слоя грунта
233
Рис. 7.29. Значение функции Л для системы с относительно водопроницаемым
слоем грунта при Л = 0,5
что гидравлический градиент i = dA/dZ и тем самым гидравлический на-
пор, имеющий восходящее направление под подошвой котлована, при
относительно большой плотности грунта может быть больше, чем при
водопроницаемом покрывающем слое. Поэтому при расчетах необхо-
димо различать случаи с относительно проницаемыми покровными слоя-
ми и относительно плотными, малопроницаемыми покровными слоями
грунта.
Система, состоящая из относительно водопро-
ницаемого покровного слоя грунта. Величина крити-
ческого гидравлического давления для равновесного состояния
грунта определяется при пренебрежении силами трения из уравнения
(рис. 7.28):
FsZ,l + FsI,2 + Gj + - °-
(7.50)
Величины В^ и В2 представляют собой объемы грунта, ограниченные
сверху горизонтальными, а с боков — эллиптическими поверхностями
грунтового потока. При полном равновесном состоянии грунтового мас-
сива, т.е. при адекватном критическому состоянию, может быть опреде-
лено значение критического давления, при котором устойчивость грунта
нарушается.
Величина критического гидравлического давления для случая двух-
слойного грунта может быть определена по следующей зависимости:
hwk =V”r>nU) +-7-(^n<2) (7.51)
Для значения функции fl в работе [62] приводятся математические за-
висимости. Для случая когда масса обоих объемов грунта равна величи-
не подъемного усилия (р* = р') и pw = 1, могут быть использованы вы-
ражения:
hwk =p'l,2nt> (7.52)
234
Я = Г1(ЯП) +^t2) -П<3)) + £2(3); (7.53)
Значения £2, £2 , £1 и £2^3' могут быть получены по табл. 7.5.
Для условий строительства при X = 0,5 функция S2 на рис, 7.29 пред-
ставлена для различных значений # « fc /Л . Отсюда видно, что по мере
возрастания пропускной способности слоя грунта критическое значение
гидравлического напора будет больше. При £ = hjta = 0 и при = 1
значения давления по номограмме одинаковы, что позволяет произвес-
ти плавный переход от однослойного грунта к двухслойной системе.
Система с относительно плотным слоем грун-
т а. Теоретические исследования и практические наблюдения за процес-
сом гидравлического обрушения грунта показывают, что покровный
слой средней мощности при относительно невысоком гидравлическом
давлении легко разрыхляется и приподнимается без гидравлического
прорыва грунта или воды, так как величина гидравлического напора
может оказаться недостаточной для того, чтобы разрыхлить лежащий
ниже слой грунта. При большей мощности покровного слоя грунта всег-
да на заключительной стадии наступает явление гидравлического про-
рыва, так как в конце концов наступает разрыхление нижележащего
слоя грунта.
Критическое значение гидравлического напора, при котором относи-
тельно плотный покровный слой будет разрыхлен (см. рис. 7.28), может
быть получено следующим образом:
'Ч1*е>=0-
Математическое выражение, полученное для этого случая, записывав
ется при условии Xt0 в следующем виде:
=~^Г <7'54>
Математическое обоснование выражения для S21 приводится в работе
[62]. Для определения величины гидравлического напора, при котором
может наступить прорыв поверхностной воды в котлован и при котором
исключается возможность прорыва в котлован воды, находящейся на
более низких уровнях, необходимо использовать различные математи-
ческие выражения, например:
^2=-pLo>;+4^)nIIzr
rw 2
Величину гидравлического напора, при котором происходит гидрав-
лический прорыв, получают из предположения, что для этого случая
будет получено его наибольшее значение. Функции S2 и £211 для значе-
ний X < 0,5; X - 0,6 и X - 0,7 представлены на рис. 7.30. На рис. 7.31 и
рис. 7.32 изображены некоторые последовательные фазы процесса гид-
равлического прорыва в двухфазном плоском лотке с поверхностным
слоем, имеющим относительно большую водопроницаемость.
Гидравлический прорыв, который произошел в жестко ограничен-
ном замкнутом контуре котлована, показан на рис. 7.33. На представ-
ленной фотографии четко виден выдавленный объем песка, который об-
разовал конус.
23S
236
Таблица 7.5
Х = ( 3 Х = = 0,5 X = 0,6 X = = 0,7
f, nW nW Я nWn<2> n(3) n nW nW nW aV) nW n
0,20 3,128 —0,328 2,467 2,534 3,178 -0,333 2,507 2,575 3,210 -0,336 2,533 2,601 3,265 -0,342 2,576 2,645
0,40 3,067 -0,287 2,467 2,502 3,117 -0,292 2,507 2,634 3,148 -0,295 2,533 2,661 3,201 -0,300 2,576 2,706
0,50 0,60 2,914 -0,195 2,467 2,618 2,961 -0,188 2,507 2,667 2,991 -0,190 2,533 2.694 3,042 -0.193 2,576 2^739
0,80 2,541 +0,063 2,467 2,577 2,582 + 0,065 2,507 2,619 2,608 + 0,065 2,533 2,654 2,652 +0.066 2,576 2,690
0,90 2,141 +0,330 2,467 2,520 3,175 + 0,336 2,507 2,570 2,197 +0,339 2,533 2,595 2,235 +0,345 2,576 2,635
0,20 3,138 -0,134 2,467 2,575 3,189 -0,136 2,507 2,617 3,221 -0,137 2,533 2,643 3.276 -0.139 2,576 2,688
0,40 3,129 -0,131 2,467 2,680 3,179 -0,133 2,507 2,732 3,211 -0,134 2,533 2.750 2.266 -0.136 2,576 2,797
0,20 0,60 3,091 -0,118 2,467 2,771 3,141 -0,120 2,507 2,816 3,172 -0,121 2,533 2,844 3,225 -0J123 2,576 2,892
0,80 2,945 -0,069 2,467 2,794 2,993 -0,071 2,507 2,840 3,023 -0,071 2,533 2.868 3,075 -0'072 2.576 2'917
0,90 2,701 +0,012 2,467 2,700 2,736 +0,012 2,507 2,740 2,764 +0,012 2,533 2,770 2,811 + 0,013 Ln' O'. bJ qg' bJ
0,20 3,141 -0,067 2,467 2,589 3,192 -0,068 2,507 2,631 3,224 -0,069 2,533 2,657 3,279 -0,070 2,576 2,702
0,40 3,138 -0,067 2,467 2,709 3,189 -0,068 2,507 2,753 3,221 -0,069 2,533 2,781 3,276 -0,070 2,567 2,828
0,10 0,60 3,127 -0,065 2,467 2,824 3,178 -0,066 2,507 2,870 3,210 -0,067 2,533 2'899 3,264 -0,068 2,576 2,948
0,80 3,070 -0,054 2,467 2,906 3,119 -0,055 2,507 2,953 3,151 -0,056 2,533 2,982 3,204 -0,057 2,576 3,033
0,90 2,935 -0,030 2,467 2,862 2,983 -0,030 2,507 2,908 3,013 -0,031 2,533 2,937 3,064 -0,031 2^576 2^987
0,20 3,141 -0,034 2,467 2,600 3,192 -0,034 2,507 2,638 3,224 -0,035 2,533 2,664 3,279 -0,035 2,576 2,710
0,40 3,141 -0,034 2,467 2,727 3,192 -0,034 2,507 2,767 3,224 -0,035 2,533 2,795 3,279 -0,035 2,576 2'843
0,05 0,60 3,138 -0,33 2,467 2,850 3,188 -0,034 2,507 2,896 3,220 -0,034 2,533 2,925 3,275 -0,035 2,576 2,975
0,80 3,119 -0,032 2,467 2,963 3,169 -0,032 2,507 3,011 3,201 -0,032 2,533 3,401 3,255 -0,033 2,576 3,093
0,90 3,060 -0,026 2,467 2,978 3,110 -0,026 2,507 3,026 3,141 -0,027 2,533 3,056 3,194 -0,027 3^576 3'108
0,20 3,142 -0,014 2,467 2,600 3,193 -0,014 2,507 2,642 3,225 -0,014 2,533 2,668 3,280 -0,014 2,576 2,714
0,40 3,141 -0,013 2,467 2,732 3,192 -0,014 2,507 2,776 3,224 -0,014 2,533 2,804 3,279 -0,014 2,576 2,852
0,02 0,60 3,141 -0,013 2,467 2,864 3,192 -0,014 2,507 2,910 3,224 -0,014 2^533 2,939 3,279 -0^014 2'576 2,989
0,80 3,137 -0,013 2,467 2,992 3,188 -0,013 2,507 3,041 3,220 -0,014 2,533 3^072 3,275. -0,014 2,576 3,124
0,90 3,123 -0,013 2,467 3,046 3,174 -0,013 2,507 3,095 3,205 -0,013 2,533 3,126 3,260 -0,013 2^576 3,180
0,20 3,142 -0,007 2,467 2,601 3,193 -0,007 2,507 2,643 3,225 -0,007 2,533 2,670 3,280 -0,007 2,576 2,715
0,40 3,142 -0,007 2,467 2,734 3,193 -0,007 2,507 2,779 3,225 -0,007 2,553 2,807 3,280 -0,007 2^576 2'855
0,01 0,60 3,141 -0,007 2,467 2,868 3,192 -0,007 2,507 2,914 3,224 -0,007 2,533 2^944 3,280 -0,007 2,576 2,994
0,80 3,140 -0,007 .2,467 3,000 3,191 -0,007 2,507 3,049 3,223 -0,007 2,533 3,080 3,278 -0,007 2,576 3,132
0,90 3,136 -0,007 2,467 3,063 3,187 -0,007 2,507 3,108 3,219 —0,007 2,533 3,144 3,274 —0,007 2,576 3,198
Рис. 7.30. Значение функции £2 и £2
крывающим слоем грунта
а - X С 0,5; б - X = 0,6; а — \ = 0,7
для системы с относительно плотным при
Степень влияния сил трения на величину критического гидравличес-
кого давления была определена автором в теоретических исследовани-
ях [60, 62]. Однако в большинстве случаев влиянием сил трения обыч-
но пренебрегают. Обоснованием этого служит., во-первых, неоднород-
ность грунта и, во-вторых, обычно отсутствие данных по гранулометри-
ческому составу грунта или его отдельных слоев.
7.3.2.2. Многослойные грунты. Для определения значения критичес-
кого гидравлического давления исследуемое течение воды вдоль осно-
вания стенки заменяется узким призматическим потоком. Линии равно-
го потенциала затем распространяются на всю ширину по горизонталь-
ной плоскости- Задача может быть решена графо-аналитическим спосо-
бом. Для этого в точках сечения всех характерных горизонтальных от-
меток отмечаются характеристики устойчивости грунта, что определя-
ется значениями критического гидравлического напора. Получаемое
237
Рис. 7.31. Гидравлический прорыв грун-
та в двухслойной системе с относительно ’-5
проницаемым прикрывающим слоем
а — исходное состояние; б — подъем
основания котлована; в - разрушение
грунта $
минимальное значение устойчивости грунта против обрушения является
расчетным и принимается при дальнейших расчетах.
Решение задачи математическими или экспериментальными метода'
ми является весьма трудоемким и требует длительного времени, в свя-
зи с чем более предпочтительно решение задачи графическим способом.
Точность графического расчета повысится, если потенциальное распре-
деление однородного грунта может быть перенесено на отдельные слои
многослойного основания, или если графическое решение гидродинами-
ческой сетки дня однородного грунта может быть применено в случае
многослойного основания по известным критериям. Для того чтобы
иметь возможность заменить многослойное основание однородным,
слой грунта / с коэффициентом фильтрации Ау принимается в качестве
базисного, к которому затем приводятся все остальные слои грунта
введением поправочного коэффициента, равного отношению АуД
Затем определяется положение линий равного потенциала, которые
далее переносятся на реальное основание. После этого находится разни-
ца гидродинамического давления и действующее напряжение pf-
в исследуемых сечениях. Определенные таким образом величины дей-
ствующих нагрузок и сил сопротивления позволяют затем рассчитать
238
Рис. 732. Гидравлический прорыв грун-
та в двухслойной системе с относите ль-
ни плотным и мало проницаемым при-
крывающим слоем грунта
а — неустойчивое состояние; б —
прорыв воды со стороны верхнего бье-
фа; в — стабилизированное состояние
после выравнивания уровней воды по
обе стороны стенки
Рис. 7.33. Гидравлический прорыв угла котлована и после-
дующее закрепление его шпунтовой стенкой
239
устойчивость грунта против обрушения в любой точке в любом горизон- .
тальном сечении.
Весь расчет может быть проведен по следующим этапам;
построение всей геометрической ситуации и определение всех значе-
ний;
выбор расчетного слоя грунта / с коэффициентом фильтрации к-
в качестве базового, к которому будут приводиться все остальные;
пересчет всех остальных слоев грунта от 1 до п по отношению
^4 red ~
внесение пересчитанных данных по слоям грунта;
определение распределения линий равного потенциала для получен-
ного однородного грунта;
перенесение полученного распределения линий равного потенциала
на реальные слои грунта по формуле; й* - й;- ге^ к^/к^
определение гидродинамического давления во всех интересуемых се-
чениях на глубине z ниже основания котлована
определение действующего значения напряжения для отдельных
слоев грунта по формуле p-p^gh-x _ J
нанесение значений и получаемых суммарных значений р;-; Й
проверка построенных кривых условием Sfy > t]g -&Р$х и ©пределе-
ние значения riG как функции внутреннего значения заделки стенки в
грунт Гр jd
Расчет проводится параллельно с построением расчетной схемы и графи-
чески. Подробности приведенного метода расчета и построения прово- ... 1
дятся в работах [60, 61,62,147]. Ц
Г Л А В А 8. ВОДООТЛИВ ИЗ КОТЛОВАНОВ И ТРАНШЕЙ |
При водоотливе из котлованов и траншей поступающие в выемки $
подземные и поверхностные воды собираются в канавки и лотки для |
сбора и отвода к зумпфам (водосборникам) с последующей откачкой |
воды на поверхность. |
8.1. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ J
Технологические вопросы подготовки водоотлива и устройства |
котлованов требуют комплексного учета многочисленных геологи-|
ческих и гидрологических факторов, технологических, экономических |
и организационных условий строительного процесса. ,1
В процессе работ по выемке грунта необходимо наличие специального J
приямка (зумпфа) для сбора притекающей в котлован воды и после- |
дующей ее откачки насосами.
В связных грунтах необходимо назначать продольный уклон водо- |
отводящих канав не менее 2% для обеспечения быстрого стока поступакх J
щей в котлован воды для предотвращения разуплотнения дна земля-з
ной выработки и водоотводящих канав. J
240
Рис, 8.1. Схема, открытого водоотлива
а — разрез; б — план котлована; 1 - центробежный насос с обратным кла-
паном; 2 - напорная линия; 3 - всасывающая линия; 4 — приямок насоса;
5 - защитная сетка на всасывающем клапане; б - дренажная линия в граве-
листопесчаной траншее; 7 - пониженный уровень грунтовых вод; 8 — воз-
водимое сооружение; 9 - дрены
После разработки грунта до отметки дна котлована, приступают к
сооружению принятых в проекте водоотводящих сооружений (откры-
тые лотки, водоотводящие канавы и коллекторы, водосборные колод-
цы) . На рис. 8.1 изображена схема открытого водоотлива.
Эксплуатация водоотводящей системы должна продолжаться до
окончания всех земляных работ. Грунтовая вода может поступать в
котлован лишь после того, как бетон, уложенный в основание котлова-
на, наберет необходимую прочность. После этого необходимо следить
за тем, чтобы возведенная конструкция не всплыла бы под давлением
грунтовых вод.
Области применения водоотлива в зависимости от водопроницае-
мости грунтов и давления воды были рассмотрены в разд. 7.1.2. Устрой-
ство открытого водоотлива целесообразно в следующих случаях:
в связных грунтах с включениями тонких песчаных слоев и линз;
в несвязных плотных грунтах, которые под действием грунтовых
вод или фильтрационных течений не будут разрыхляться кли вымы-
ваться;
в слоистых грунтах со средним расходом грунтовых вод;
если ограждающие котлован стенки располагаются в водонепрони-
цаемых грунтах и поступление воды в котлован возможно только при
переливе ее через верх стенок;
если вода, поступающая в виде атмосферных осадков, не может
сама профильтроваться за пределы котлована.
В случае устройства котлована в мелких или крупных песках, илис-
тых грунтах применение открытого водоотлива возможно лишь тогда,
когда грунт под давлением воды или в водонасыщенном состоянии
может перейти в плывунное состояние (см. разд. 2.2,3). При этом снижа-
ется несущая способность грунта, устойчивость откосов котлована, и
может произойти выпор грунта.
Способ водоотлива применим в котлованах со средним значением
давления грунтовых вод, или когда котлован окружен глубоко заби-
f 6—749
241
тыми шпунтовыми стенками. При проектировании открытого водоот- -J
лива необходимо также учитывать технические возможности его при- Л
менения. До подключения водоотводящей системы к магистральному
трубопроводу необходима прокладка дополнительной линии, при помо- ?
щи которой откачивающий насос будет присоединен к этой системе. '
8.2. ВОДОСБОРНЫЕ КАНАВЫ
8.2.1. Расположение и устройство. Для сбора грунтовых вод у подош-
вы откосов или оснований стенок располагаются кольцевые водосбор-
ные канавы. При ширине котлована более 20 м дня отвода грунтовых
вод в соответствующих гидрологических и геологических условиях '
может потребоваться устройство второго колодца водосборной канавы
или системы канав.
Водосборные канавы подразделяются (по рис. 8.2) на: а) открытые •?
канавы; б) дренажные канавы, заполненные фильтрующим материа- J
лом (гравий, щебень); в) дренажные канавы, заполненные песчано- <
гравийной смесью, внутри которой уложены дренажные трубы.
Продольный уклон открытых канав должен назначаться таким обра-
зом, чтобы исключить возможность их суффозии и заиления. Открытые
канавы прокладываются лишь в тех случаях, когда они не мешают If*
процессе производства строительных работ в котловане. Располагаться
они должны только за пределами возводимого в котловане сооружения^
Продольный уклон таких канав принимается / > 0,5%.
Канавы, заполненные фильтрующим материалом, применяются толь-
ко при незначительном притоке грунтовых вод. При соответствующем ?
уплотнении они могут располагаться в пределах возводимого в котло- ;-=
ване сооружения.
Дренажные системы применяются при большом притоке грунтовых
вод, большой продолжительности строительного периода для всех грун-
товых условий. В дренажных системах могут использоваться керами- ;
Рис. 8.2. Типы дренажных канав у подошвы откосов котлованов йа
а - открытая дренажная канава при устойчивом откосе; б — дренажная кдка- Ja
ва, заполненная фильтрующим материалом при слибоустойчивых откосах или
откосах переменного уклона; в — дренажная канава с дренажной трубой; 1 —
отметка бровки котлована; 2 — уровень грунтовых вод; 3 — поверхность пони-
женного уровня грунтовых вод; 4 — щебень, дробленый материал; битый к up- ..а
лич; 5 - дренажная труба .Л
242
ческие, каменные, бетонные или пластмассовые трубы, с обсыпкой пес-
чано-гравийным материалом или с фильтровым покрытием из волок-
нистых материалов.
Керамические дренажные трубы [223] изготавливаются диамет-
ром от 50 до 200 мм. Вода поступает в трубы через торцевые стыки
между отдельными секциями труб. Продольный уклон таких труб
должен быть не менее 1%, продольный уклон сборных коллекторов -
в диапазоне от 0,25 до 2%, а максимальная скорость потока — не выше
1,5 м/с.
Дренажные керамические трубы [218] изготовляются диаметром
100, 150 и 200 мм и имеют отверстия диаметром 20 мм. В качестве
фильтрующего материала, располагаемого непосредственно у стенок тру-
бы, рекомендуется использовать крупный щебень. Этим требованием
можно пренебречь в тех случаях, когда труба оборачивается искусствен-
ным текстильным или хлорвиниловым тканым материалом.
Трубы могут быть также изготовлены из пористого бетона. В этом
случае соединение секций трубопровода между собой производится
хомутами или резиновыми Т-образными муфтами диаметром 80, 100,
150, 200, 350 мм, длина отдельных секций от 0,5 до 1 м.
Дренажные пластмассовые трубы изготовляются волнистой или
гладкой цилиндрической формы. Волнистые трубы укладываются
в фильтрующем материале. Внутренний диаметр труб 60, 90 и 110 мм,
толщина стенок обычно составляет е - 5 мм. Скорость воды в них обыч-
но 0,25...1,5 м/с.
Атмосферные осадки и грунтовые воды поступают в водосборные
траншеи через плоский фильтр. Поверхностные плоские фильтры долж-
ны применяться в связных грунтах. Различают два способа их изготов-
ления:
1) на дне котлована прокладываются траншеи с уклоном в сторону
насосных зумпфов, в них укладываются дренажные трубы с гравийной
обсыпкой и засыпаются песком (рис. 8.3);
2) на дно котлована насыпается слой фильтрационного материала
толщиной от 200 до 500 мм, в котором непосредственно располага-
ются дренажные трубы.
Источники грунтовых вод в виде концентрированных выходов
требуют к себе особого внимания. Если эта вода не может отводиться
самотеком, ее необходимо собирать в специальные сборные колодцы,
откуда она будет откачиваться в специальный водоприемник.
При сооружении траншей для устройства трубчатых дрен или сбор-
ных канав часто необходимо осушение котлована и укладка слоя бетона
для обеспечения возможности выполнения последующих строительных
операций. Вода собирается в протяженную дрену, по которой отводится
в приямок. На рис, 8.4 показаны различные решения расположения дрен.
После окончания строительных работ дренажи должны быть закрыты.
8.2.2. Гидравлический расчет. Открытые водосборные канавы. Вели-
чина скорости потока определяется по формуле Маннинга-Стриклера
v -kR2^i1^2> (8Л)
где v - среднее значение скорости потока, м/с; к — коэффициент скорости, завися-
щий от шероховатости стенок, м1' 3/с; R — гидравлический радиус R — А/U, м;
v — смоченный периметр, А — площадь поперечного сечения потока; i — гидравли-
ческий уклон.
243
Рис. 8.3. Плоские фильтры с дренажными трубами
а - разрез по дренажной трубе; б - сборный коллектор с дренажным
вводом; 1 - материал фильтра; 2 ~ крупный щебень; 3 - дренажная труба;
4 - отметка поверхности земли; 5 — отметка дна котлована; б - коллектор;
7 — дрена
Коэффициент скорости А, м^3/с, для различных грунтовых материа-
лов приводится ниже:
пески с глинистыми включениями...................
мелкие пески .....................
крупные пески........................
песок, гравий при переменном сечении канавы......
. - . 50
. . . 40
. . . 35
20...Э0
Для упрощения применения формулы Маннинга-Стриклера можно
воспользоваться приведенной на рис. 8.5 номограммой и табл. 8.1.
Тогда величина расхода определится по формуле
Рис. 8.4. Дренирование и закрепление основания котлованов
а — котлован с дренажем для прокладки трубопроводов; б - узкий котлован
с односторонним дренажем, основание частично забетонировано; в — котлован с
двусторонним дренажем для прокладки теплотрасс, сборных коллекторов и
трубопроводов, основание частично забетонировано; г - узкий котлован с одно- j
сторонним дренажем, основание полностью забетонировано; д — котлован с дву- i
сторонним дренажем, основание полностью забетонировано; 1 — дренажная труба; у
2 — подготовительный слой; 3 - подсыпка; 4 — слой фильтрационного материя- л
ла; 5 - бетонная подготовка из бетона марки В 160; 6 - фильтрационный слой;
7 — щебень; 8 — камни, щебень з
244
Таблица 8.1
“ +J
1:л=д, Заложение откоса 1:1,5 0,30 0,50 0,70 1,00
0,10 А 0,045 0,065 0,085 0,115 7?_, 0,068 0,075 0,080 0,084 Rif* 0,167 0,179 0,186 0,193 0,20 А 0,120 0,160 0,200 0,260 0,118 0,131 0,141 0,151 0,240 0,258 0,271 0,284 0,30 А 0,225 0,285 0,345 0,435 0,163 0,180 0,194 0,209 R2/a 0,298 0,319 0,335 0,352 0,40 А 0,360 0,440 0,520 0,640 0,207 0,227 0,243 0,262 R 0,350 0,372 0,389 0,410 0,50 А 0,525 0,624 0,725 0,825 J?_,_ 0,250 0,271 0,290 0,312 R 0,396 0,419 0,438 0,460
^ = 0,3... 1,0 м;
t =0,1...0,5 м;
A = bj + nf2; 6
Л
Заложение откоса 1:1,0
откос
0,30 0,50 0,70 1,00 0,30 0,50 * 0,70 1,00
0,040 0,060 0,080 0,110 0,030 0,050 0,070 0,100
0,069 0,077 0,081 0,086 0,060 0,071 0,078 0,083
0,168 0,181 0,187 0,195 0,153 0,172 0,182 0,191
0,100 0,140 0,180 0,240 0,060 0,100 0,140 0,200
0,115 0,131 0,142 0,153 0,086 0,111 0,120 0,143
0,236 0,258 0,272 0,286 0,194 0,231 0,253 0,273
0,180 0,240 0,300 0,390 0,090 0,150 0,210 0,300
0,157 0,178 0,197 0,211 0,100 0,136 0,161 0,187
0,291 0,316 0,338 0,354 0,215 0,265 0,297 0,328
0,280 0,360 0,440 0,560 0,120 0,200 0,280 0,400
0,196 0,221 0,240 0,263 0,092 0,154 0,187 0,222
0,337 0,336 0,386 0,411 0,204 0,287 0,327 0,367
0,400 0,500 0,600 0,750 0,150 0,250 0,350 0,500
0,233 0,261 0,284 0,311 0,115 0,167 0,206 0,250
0,378 0,408 0,432 0,459 0,237 0,303 0,349 0,397
Рис. 8.5. Номограмма для определения средней скорос-
ти фильтрационного потока в открытых водосборных
канавах [100]
в = ”А,
(8.2)
где А — площадь поперечного сечения потока.
Дренажные канавы. Среднее значение скорости воды в проницаемом
материале может быть определено по формуле Дарси в соответствии с
(7.33):
v -ki,
(8-3)
где к — коэффициент фильтрации, м/с.
В качестве гидравлического уклона I можно принять уклон водосбор-
ной канавы, идущей по дну котлована.
Дренажные трубы. Скорость потока в дренажных трубах может
быть определена по формуле Прандтля-Кармана-Колеброка [214]:
246
Рис. 8.6. Номограмма для расчета дренажных 'груб
а — керамические трубы, к = 0,65 мм; б — волнистые трубы, к ~3 мм
V = -2xZ^ 1g (+ Л—
3,71 J
(8.4)
где i — уклон пьезо метрической линии; d ~ диаметр трубы, при применении вол-
нистых труб d = d- + 2к\ к — коэффициент шероховатости стенок трубы; v — сред-
нее значение скорости потока; g — ускорение свободного падения.
Кинематическая вязкость v зависит от значения температуры воды.
При температуре воды, равной 120°С по (7.26) кинематическая вяз-
кость у = 1,240 6 м2/с.
Расход Q в дренажной трубе определяется по (8.2), где А — площадь
поперечного, сечения трубы. При волнистых трубах в расчете принимает-
ся меньшая площадь сечения.
Абсолютное значение шероховатости стенок труб к, мм, может при-
ниматься по следующим данным:
глиняные дренажные трубы................................0,65
пластмассовые гладкие трубы..............................0,1
пластмассовые трубы с высотой волны е =5 мм. ...........з’о
пластмассовые, трубы с высотой волны е =3,5 мм...........2,0
бетонные трубы. .................................. . . .15
Значение коэффициента шероховатости к для волнистых пластмассо-
вых труб определяется по формуле к = 0,77е°»79 мм. Уравнение (8.4)
Для значений к = 0,65 и 3,00 мм приведено в графической форме на
рис. 8.6.
247
Пример. Расчет расхода воды при применении различных способов открытого
водоотлива.
1. Открытые канавы.
Ширина по дну b(s) -0,50 м; заложение откосов котлована 1:1,5; глубина во-
ды t = ОДО м; продольный уклон i - 1%; грунт - мелкий щебень.
Расчетные значения по табл- 8.1: А = 0,065 м2; R = 0,179 м2”.
Коэффициент скорости для мелкого щебня к =40 м^/с. Определим по (8Д)
скорость потока
v =40*0,179-0,011/2 =0,72 м/с.
Величина расхода по (8.2) составит
2= 0,72-0,065 = 0,0468 м3/сЧОООм~3 =46,8 л/с.
2. Траншеи, засыпанные фильтрующим материалом.
Ширина подошвы траншеи, заложение откоса и продольный уклон принимают-
ся по предыдущей задаче. Траншея заполнена мелким щебнем, глубина принимает-
ся равной f = 0,50 м при условии ее полного заполнения водой. Значение коэффици-
ента фильтрации материала принимается по табл. 7.3 к = 10 ‘2 м/с.
Скорость движения потока по фильтрующему материалу по (8.3):
v - 10~2-0,01 = 10“4 м/с.
Величина расхода определяется по (8.2) :
Q = 1(Г 4 -0,50 (0,50+0,50-1,5) =0,00006 м3/с-1000 м~3 = 0,06 л/с.
3. Дренажные канавы.
Принята пластмассовая труба диаметром 90 мм с высотой волны е =5,0 мм,
продольный уклон уложенной трубы i = 1%, коэффициент шероховатости к =
= 3,0 мм. Скорость потока по трубе по (8.4) при размере проходного сечения
d — d.+ ik = 90 мм + 1 мм+ 2-3 мм =97 мм.
“"6 -
р = —2х/Ь,01-0,097-2-9,81 1g (—-----------------+ —) =0,57 м/с, <
0,097>/0,01 0,097-2-9,81 3,71-0,097
Величина расхо да состав ит ’<
d2 Г
Q ~ v —-----= 3,71 л/с,
4
По номограмме (см. рис. 8.6) получим у = 0,6. М/с W величину расхода Q
= 3,75 л/с. >
8.3. ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА ВОДЫ М
В процессе водоотлива в котлованах приходится измерять расход?
воды. Для этой цели используются различные способы. При необходО
мости измерения расходов с высокой точностью предпочтительно прл&
менение водосливов с тонкой стенкой и острой кромкой, незатоплевёк
ных и с подводом воздуха под струю (рис. 8.7,я). Коэффициент расхоw
р может быть определен либо теоретически, либо экспериментальна
путем непосредственного измерения расхода на водосливе, по котором#
затем вычисляется его значение. Практическое применение расчетным
формул для вычисления расхода обычно упрощается применением слей
циальных таблиц или диаграмм.
Величина переливающегося слоя h должна измеряться на расстояние
I - 4й или I = 2 (w + Л v) от водосливной кромки в сторону верхней
J. J. ItUb. '
248
Рис. 8.7. Устройство для измерения расхода
а — устройство мерного водослива; б — прямоугольный водослив без бокового
сжатия; в — прямоугольный водослив с боковым сжатием; г — треугольный водо-
слив Томсона; д — разрез по мерному баку: I - приток; 2 — ветки; 3 — стенка;
4 — стойка; 5 - мерный винт; 6 — стенка водослива; 7 - прямоугольный или тре-
угольный мерный водослив; 8 - сток; е — измерение расхода по мерной трубе
с отлетом струи: 1 — подводящая мерная труба с фланцем; 2 — ось трубы; 3 —
ось потока струив 4 — ограждение; 5 - точка отсчета по центру струи
бьефа для того, чтобы исключить влияние депрессионной кривой на водо-
сливе.
Для различных измерительных устройств рекомендуются следую-
щие формулы для расчета переливающихся расходов:
1. Прямоугольный водослив без бокового сжатия (рис. 8.7,6).
При пренебрежении величиной скорости потока при hv - 0 расход
определяется по формуле
(? = 2/3p|/)V¥ К*2 ^2,953^ h312. (8.5)
При учете скорости потока по Ребоку [155] при w > 0,06 м; h =
= 0,01 ...0,80 м и ширине водослива Ь, м, используется зависимость
Q = (1,782 + 0,24^—-’—Д* (й + 0,0011) 3/2. (8.6)
IV
2. Прямоугольный водослив с боковым сжатием (рис. 8.7,в).
По рекомендациям Понселе при пренебрежении величиной скорости
потока расход рекомендуется определять по формуле
е = 2/Зд26^5Л3/2, (8.7)
где при средних значениях переливающегося расхода и заточенной под
углом 45° кромке водослива значение коэффициента д2 может быть
принято равным 0,62. Значения расхода по формуле Понселе приводят-
ся в табл. 8.2, при этом значение д2 принимается с соответствующими
249
Таблица 8.2
Высота й, см Расход Q, л/с, при Ь, см
20 ] 30 Г 40 I-50— 60 | 80 1 100
1 0,4 0,62 0,84 1,06 1,28 1,72 2,16
2 1,1 1,69 2,28 2,87 3,46 4,64 5,82
3 1,9 2,96 4,02 5,08 6,14 8,26 10,38
4 2,9 4,49 6,08 7,67 9,26 12,44 15,64
5 4,1 6,29 8,48 10,67 12,86 17,24 21,62
6 5,3 8,14 10,98 13,82 16,66 22,34 28,02
8 8,1 12,45 16,80 21,15 25,50 34,20 42,90
10 11,2 17,28 23,36 29,44 35,52 47,68 59,84
12 14,6 22,59 30,58 38,57 45,56 62,54 78,52
14 18,3 28,37 38,44 48,51 58Л8 78,72 98,86
16 22,3 34,58 46,86 59,14 71,42 95,98 120,54
18 26,6 41,21 55,82 70,43 85,04 114,26 143,48
20 30,9 48,01 65,12 82,23 99,34 133,55 167,77
геометрическими и гидравлическими условиями [52]. В работе [120]
приведено определение значений д .
3. Треугольный водослив (рис. о.7,г).
По Томсону [155] для условий треугольного мерного водослива
применима формула
С = 8/15рч/^ й’/2, (8.8)
причем в общем случае может быть использовано значение коэффициен-
та расхода д, равное 0,60, что позволяет переписать приведенную фор*
мулу в следующем виде:
Q = 1,417й2>Д\ м3/с
или
Q = 0,014/?2\^", м/с.
По [ 120] для определения коэффициента расхода д может быть ис-
пользована зависимость д - 0,565+0,0087/2“1/2, где для h должно под-
ставляться значение только в м. Применение этого типа измерительного
водослива рекомендуется при измерении небольших расходов.
Для практического применения описанных мерных водосливных
устройств используются переносные типы водосливов, которые рас-
полагаются в специальных ящиках, схема одного из которых приведе-
на на рис. 8.7,д. В зависимости от величины измеряемого расхода этот
переносной мерный ящик может оборудоваться прямоугольным или
треугольным водосливом. Для успокоения поступающей в бак воды
он дополнительно оборудуется стенкой. В этом ящике на специальной
дополнительной опоре располагается измерительный винт, с помощью
которого определяется уровень воды перед водосливом — он устанав-
ливается на отметке уровня воды путем выворачивания или ввинчива-
ния в опору. Это позволяет точно определить отметку воды перед водо-
сливом.
Измерение расхода воды может также производиться в отводящей
канаве. На рис. 8.8 показано измерение расхода из большого котлована.
250
Рис. 8.8. Прямоугольный мерный водослив
На рисунке видно, что перед водосливом располагается дополнитель-
ная стенка, опущенная ниже уровня воды для задержания плывущего
сора.
Расход может быть также измерен мерной трубой (см. рис. 8.7^е).
При этом необходимо измерение следующих величин: незаполненная
водой часть сечения трубы й, горизонтальная проекция падающей струи
а и расстояние х от оси потока в трубе до подошвы измерительного
устройства, на уровне которой измеряется проекция падающей струи.
Величина проекции падающей струи определяется как полусумма
между двумя крайними положениями струи — ближней и дальней точка-
ми отлета. В практических условиях это измерение производится обычно
при помощи специального измерительного приспособления, состоящего
из двух мерных линеек, одна из которых располагается вертикально,
другая — горизонтально. По вертикалънойдинейке определяется расстоя-
ние я, по горизонтальной — отлет струил.
Измеряемая величина расхода в этом случае определяется по зависи-
мости
Q = 2.22Л /а/ч/Г, м3/с,
И
ще — поперечное сечение струи в месте истечения из трубы, м2; Л площадь по-
перечного сечения трубы, м2; a, s — параметры струи, м.,
Площадь поперечного сечения струи Аа определяется по следующим
значениям, которые могут быть интерполированы:
k/d,% 10 20 30 40 50 60 70 80 90
AJA,% 95<0 85,7 75,0 63,0 50,0 37,0 25,0 14,3 5,0
Небольшие значения измеряемых расходов могут быть определены
также объемным способом, для чего используются секундомеры и мер-
ные емкости. Время измерения объема воды должно быть не менее 5 с.
Расход определяется, по крайней мере, по результатам трех проводимых
измерений и принимается как среднеарифметический.
251
8.4. УСТРОЙСТВА ДЛЯ СБОРА ВОДЫ <|
Поступающая в котлован вода как в процессе производства работ 4
по выемке грунта, так и после окончания этих работ собирается сбор-
ними канавами и поступает в сборные колодцы, которые располагаются |
на отметке дна котлована, откуда затем откачивается' в отводящую сис- |
тему. |
Под насосным зумпфом понимается углубление с простейшим креп- |
пением стенок, в котором собирается вся поступающая в котлован вода |
и откуда она быстро откачивается насосами. Под водосборным колод- f
цем понимается приямок, предназначенный для сбора поступающей
воды, которая затем откачивается насосами. Насосный приямок может
устраиваться заблаговременно, путем предварительной выемки грунта
экскаватором с последующей облицовкой его стенок деревянной об- 3
шивкой и закреплением щебеночной или каменной наброской, закреп- |
ленной бетонными или другими элементами. Может быть также при-
менен вариант, когда заблаговременно устраивается специальный коло- 4
дец. В него опускаются дренажные трубы — бетонные, керамические и |
др., которые в процессе выполнения работ по выемке грунта из котлова- |
на постепенно сверху вниз разбираются. При больших поступлениях во- |
ды в пределах одного котлована устраивается несколько насосных при"
ямков, откачка воды из которых может производиться одной передвиж- I
ной насосной установкой. Закрепление насосных приямков должно быть*;!
осуществлено весьма надежно, так как от этого зависит работа насосных |
установок. 3
После достижения отметки дна котлована в случае длительного строи- а
тельного процесса необходимо сооружение специальных водосборных $
колодцев, один из вариантов показан на рис. 8.9. J
Существуют три варианта водосборных колодцев [138] для: Я
водопроницаемого грунта (галька, валуны, трещиноватые скальные |
породы); I
слабоводопроницаемого грунта (глины, слабые мергели); 51
плывуноопасного грунта (мелкие пески, илы). J
Насосные приямки и водосборные колодцы целесообразно распола-Я
гать таким образом, чтобы исключалась возможность их засыпки, обес- J
печивался длительный приток воды и необходимое свободное простран-/М
ство для размещения насосного оборудования. ,Я
Расстояние между водосборными колодцами в зависимости от техно-Я
логических и гидрологических условий и применяемых средств ь fl
доотлива обычно лежит в пределах а С 100 м. Низ водосборного колод- *
ца обычно располагается не менее 1,5 м ниже дна котлована. Объем ко->1
лодца обычно обеспечивает непрерывную работу насоса в течение не ме^|
нее 30 с. Отметка уровня воды в колодце должна поддерживаться на та-1
ком уровне, чтобы все время обеспечивать беспрепятственный приток*
воды в него по дренажным траншеям. Кроме того, размеры во досборно-
го колодца должны обеспечивать возможность проведения ремонтных’!
работ всасывающих клапанов насосов и других работ. .Я
Рекомендуется устраивать водосборные колодцы размером не менееЯ
1,0x1,0 м или диаметром не менее 1 м. Для крепления водосборныХЯ
колодцев могут применяться металлические отрезки труб, в которым
устраиваются специальные дренажные отверстия или стенки из промьйя
того щебня. Для того чтобы исключить возможность подсасывания возЯ
252
отвод воды 5 + 5 6 7
Рис. 8.9. Сборные колодцы при открытом водоотливе
а - сборный колодец или зумпф насоса в водопроницаемых грунтах: 1а — стен-
ки сборного колодца, изготовленные из поливинилхлоридной трубы со спирале-
видными прорезями или из стальной дренажной трубы, со свободным подводом
дренажных труб;. 16 — стенки зумпфа насоса из бетонной трубы, деревянных стоек
или шпунта, металлического листа, с прямым подключением дренажных труб;
2 - патрубок для присоединения дренажных труб; 3 - отводящая труба; 4 -
всасывающее устройство насоса; 5 — гравий, битый кирпич или засыпка шлаком;
б - вваренное стальное дно или вклеенное поливинилхлоридное дно; 7 — дренаж-
ная труба в гравийной обсыпке; 8 — стенки колодца при выемке грунта или при
опускании колодца методом погружения; б — сборный колодец из бетонных ко-
лец в средневодопроницаемых грунтах: 1 — дренажная бетонная или керамичес-
кая труба; 2 — гравий, битый кирпич, щебень или шлаковая засыпка; 3 - отвод-
ная труба; 4 — крышка; 5 — сигнализатор перехвата воды; 6 ~ бетонное кольцо
ф 1 м; 7 — дренажная траншея; 8 — распорки фильтрационной дрены; 9 — дренаж-
ная труба ф 100 или 130 мм; 10 — щебень, битый кирпич, гравий или шлаковая
засыпка; 11 ~ приямок насоса; 12 - деревянные бруски или стойки; в - сборные
колодцы в мелких песках или илах: 1 - дренажные трубы в гравийной засыпке;
2 — вваренные патрубки ф 250 мм с фланцами и поливинилхлоридной оболочкой;
3 — стальная труба; 4 — край пробуренного в грунте отверстия; 5 — засыпка
крупным гравием; 6 — вваренное дно и фильтровая сетка; -f — зависит от коли-
чества притекающей воды; 1п - используемый полезный объем колодца
духа насосом при откачке воды из к олодца^ рекомендуется располагать
на поверхности воды плавающий щит, который должен удерживать
ниже отметки воды всасывающую трубу насоса. Для исключения воз-
можного подсасывания насосом мелких частиц грунта со дна котлована
на его дно насыпается слой щебня, битого кирпича, шлака или других
материалов.
253
Рис. 8ДО. Схема автоматическо-
го включения и выключения на-
сосной установки в колодце
[145]
1 — распределительный щит;
2 — датчики в колодце
На рис. 8.10 показана автоматизированная схема управления на-
сосом сборного приямка, которая работает от поплавкового репе.
При превышении максимального уровня воды в колодце происходит
замыкание контакта и включение насоса, при понижении его до мини-
мального — отключение.
Рис. 8.11. Зумпф насоса в траншее для трубопровода
а — общий вид; б — план устройства и насосный приямок; в — поперечный
разрез с дреной и насосом; 1 — ребро жесткости; 2 — стойки; 3 — клинья;
4 - шпунтовая стенка; 5 - направляющие стойки стенки; 6 — насос с электро-
двигателем; 7 - обшивка
254
Насосный приямок, закрепленный деревянным шпунтом и устроен-
ный в траншее для прокладки трубопровода, показан на рис. 9.11. Для
сбора воды устроена продольная дренажная система.
При сооружении водосборных устройств предусматривается» что
подъем всасывающих труб насоса, а также самого насоса вместе с вса-
сывающим патрубком должен производиться специальным подъемным
механизмом или экскаватором. Необходимо иметь в виду, что при
извлечении деревянного и железобетонного шпунта остающийся под во-
дой свободный объем трудно поддается последующему заполнению и
уплотнению. Сборные колодцы или насосные приямки в рыхлых не
исключающих возможность оползания грунтах должны заполняться
бетоном для предотвращения выноса грунта из-под будущего возводи-
мого сооружения.
8.5. ФИЛЬТРУЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ
В качестве фильтрующих материалов могут применяться щебень,
песок, песок со щебнем, гравийно-песчаная смесь и другие зернистые
материалы. Создаваемые фильтрующие слои должны:
исключать возможность возникновения суффозии и эрозии при-
легающих грунтовых материалов;
обеспечивать высокую водопроницаемость;
обладать устойчивостью против суффозионного, эрозионного и коль-
матационного разрушения;
не подвергаться деформации.
Назначением фильтрационных слоев является сбор и отвод выступаю-
щих на стенках котлованов грунтовых вод, а также атмосферных и дру-
гих осадков. При этом применяются либо только фильтрующие слои,
либо вместе с отводящими дренажными трубами. Они должны обеспе-
чивать отвод вод в период основных строительных работ в котловане,
а также могут использоваться в качестве постоянно действующих Дре-
нажных систем. Размеры зерен фильтрационного материала должны
подбираться таким образом, чтобы они не могли внедряться в приле-
гающий грунтовой материал или уходить в дренажные отверстия труб-
чатого дренажа.
Материал, используемый для фильтров, в зависимости от местных
условий, характеристик грунта и его гранулометрического состава
может применяться в виде обратного фильтра со ступенчатой расклад-
кой материала в местах его прилегания к дренажным трубам. Может
также использоваться фильтрационный материал, представляющий со-
бой смесь, которая приготавливается из различных по крупности сос-
тавляющих. По технологическим и производственным условиям более
предпочтительными являются фильтрационные смеси, приготовленные
из зерен песка и гравия неправильной формы. Для проверки устойчи-
вости против контактной эрозии при длительной эксплуатации фильт-
рационного материала необходимо провести проверку взаимодействия
двух контактирующих несвязных материалов между собой [147]. Кро-
ме того, необходимо провести проверку устойчивости составленной
смеси по условиям ее работы в местах устьев сливных отводящих дре-
нажных труб, которая проводится по рекомендациям Рукерта [111].
При необходимости длительной эксплуатации дренажных систем
255
Рис, 8.12. Кривая гранулометрического
состава для песков и гравия, используе*
мых в качестве фильтрующего материала
необходима тщательная проверка характеристик фильтрующих материа-
лов.
Применение тканых материалов для оборачивания отводящих дренаж-
ных труб при сооружении дренажных канав (см. гл. 2) существенно
расширяет возможности применения в качестве фильтрационных матери-
алов различных грунтов с разными гранулометрическими составами.
Это может привести к изменению технологических условий их изготов-
ления и имеет большой экономический эффект.
Гранулометрический состав фильтрующих материалов, используе-
мых для устройства сборных дренажей, может быть установлен после
того, как будут определены условия его работы. Пластмассовые трубы
с отверстиями менее 2,0 мм, бетонные трубы, используемые для сбора
фильтрующей воды, и пластмассовые трубы, обернутые ткаными мате-
риалами, могут применяться в средних и крупнозернистых грунтах с гра-
нулометрическим составом, определенным в соответствии с рекоменда-
днями рис. 8.12 при степени неоднородности зернового состава U > 2,5 .1
и незначительным количеством вымываемых мелких частиц. Приве- J
денный на рис. 8.12 состав фильтрующего материала на заштрихованной |
полосе является устойчивым при применении его в условиях мелких |
песков, крупных глинистых или пылеватых частиц. |
При применении дренажных керамических или бетонных труб необ- а
ходимо проведение дополнительных исследований. |
Устойчивость материала фильтра. Гранулометрический состав матери- |
ала фильтров необходимо подбирать таким образом, чтобы входящие |
в него мельчайшие частицы не вымывались водным потоком. Это требо- |
вание удовлетворяется при соблюдении следующего соотношения: |
ЛпаГЛо-Чо- Ч9)|
причем не может превышать следующих значений: |
однородный материал 3; d 1 мм................Л ло ркс' 8*13^
неоднородный материал t/>3; ds0<l мм.......................j
материал C£?SO>1 мм; 1 ’СС/’СЭО. ^тахпо рис. 8ЛЗ,б^
Кроме того, для перфорированных дренажных труб справедливо^
условие 2Л <£>8S. ь
Проницаемость фильтрующего материала Ч
256
л;
Рис. 8.13. Характеристики фильтрующего материала
а - определение среднего размера зерна D$Q при приготовлении фильтра
из несвязного материала однородного зернового состава; б - определение
эрозионной стойкости фильтрующего материала
Д1оЧО>5 или
(8.10)
Основные требования к материалу фильтров;
кривые распределения зернового состава основного и фильтрующее
го материала должны по возможности располагаться параллельно;
наибольший размер отдельных зерен грунта и материала фильтра
Ршах < 70 мм;
степень неоднородности материала фильтра U - 0 < 20;
минимальная толщина фильтра d = 200 мм, что соответствует d =
” ^^max*’
равномерное распределение зерен материала по размеру частиц, без
допущения выпадающих размеров;
плотность сложения фильтрующего материала от 0,3 до 0,5.
В приведенных выше требованиях к материалу фильтров Dn — размер
зерен фильтрующего материала при п % прохождения через сито; dn —
размеры зерен основного грунтового материала при п % прохождения
через сито; L — диаметр перфорационных отверстий в дренажной трубе.
Пример, Необходимо получить следующий состав фильтрующего материала:
мелкий песок, d =0,2 мм; d^ =0,18 мм; dJo = 0,1 мм; (Л=2.
Решение. 1. Состав фильтрующего материала для U = 2 и d =0,18 мм <1 мм
С Ащах ~ 15 по Данным Рис- 8-13 и в соответствии с (8.9) Л к -15-0,18 мм =
= 2,7 мм. Параллельность кривых гранулометрического состава для основного
материала при =2,7 мм приводит к ограничению верхнего предела фильтрую-
щего материала.
17 -749
257
Рис. 8.14. Гранулометрические кривые состава
I — базисный материал; II — фильтрующий материал
2. Допустимая фильтрационная проницаемость в соответствии с (8.10) состав-
ляет £> =5-0,1 мм = 0,5 мм.
3. Нижний предел определяется по минимальному значению А =5, т.е. ^)5ОП1£П =
= 50,18 мм = 0,90 мм. Параллельная кривая гранулометрического состава позво-
ляет определить нижний предел.
4. Верхняя ограничивающая кривая обеспечивает выполнение всех критериев,
и так как £>10 > 0,5 мм, U - 3,2/1,6 = 2 <20, ^>таХ <20 мм, что соответствует
постоянному росту кривой без выпадающих размеров зерен.
5, Для расширения полученных данных можно допустить большее значение сте-
пени неоднородности зернового состава И2и^ — 20 и принять минимальное значение
“ 0*5 мм‘ следует, что ^602Uj = 20-0,5 мм == 10 мм. Но так как условие
D = 2,7 мм должно обеспечиваться, можно провести кривую через точки
О^мм*и 2,7 мм как через внешние границы значений. Получаемые при этом зна-
чения приведены на рис. 8.14.
8.6. НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ОСНОВАНИЯ КОТЛОВАНА |
8.6.1. Гидродинамические явления. В процессе производства работ по
выемке грунта из котлована его оснЬвание все время находится под воз- -3
растающим давлением грунтовых вод с возрастающими значениями гид- 4
равлических градиентов потока грунтовой воды. В траншеях это сказы- J
вается на всей ее ширине, а при широких котлованах особенно проявля- I
ется вдоль стенок, т.е. там, где потенциальный перепад является най- *
большим. |
При неблагоприятном расположении подстилающих грунтов прй
проведении подготовительных работ необходимо соблюдение специаль-;|
ных условий для обеспечения механизации строительных работ. К ним |
относится обеспечение необходимой устойчивости грунта в котлова-^
не. В специальной литературе [85, 119] приводятся описания работ, В я
результате проведения которых несущая способность грунта в котлова*|
не может поддерживаться в таких пределах, что обеспечивается возмож-З
258
рис. 8.15. Ограниченная плотность
Pr =f(n, О
ность проведения всех работ. Вместе с тем рассматриваются случаи,
когда из-за притока грунтовых вод прочностные характеристики грунта
снижались до такой степени, что работающие в котловане буквально
увязали в нем.
В случае вертикально поднимающегося потока грунтовой воды проис-
ходит уменьшение массы слоя грунта вследствие имеющегося избыточ-
ного давления грунтового потока pr- g.
В соответствии с (7.30) можно записать
Рг = (1-«) (Ps-Pw - ps№ ~P'-'Pw- (811)
Если подставить в это выражение значение плотности грунта ps =
= 2,65 т/м3 и значение плотности воды pw = 1, то pr ~f(n, i). Получаемые
значения для некоторых принятых параметров приведены на рис. 8.15.
Гидравлический градиент i может быть определен по (7.28) и по имею-
щейся для этого случая гидродинамической сетке. Среднее значение гид-
равлического градиента при восходящем потоке грунтовой воды и ог-
раничении котлована с двух сторон может быть также определено без
гидродинамической сетки по данным номограммы, приведенной на рис.
8.16.
Для определения допустимого значения гидравлического градиента,
т.е. значений наибольших гидравлических давлении при механизирован-
ном удалении грунта из котлована, предельное давление под гусенич-
ным механизмом определяется по данным работы [208]. Формула,
по которой определяется несущая способность основания котлована,
может быть упрощена для несвязных грунтов, так как в этом случае
сцепление частиц грунта между собой может быть принято равным нулю.
Также в этом случае равной нулю может быть принята глубина влия-
ния фундамента или глубина влияния перемещающегося в котловане ме-
ханизма.
Формула, по которой определяется несущая способность основа-
ния котлована для несвязных грунтов, может быть представлена в сле-
дующем виде:
N- Fv\gpgBig %gsg (8.12)
259
Рис. 8.16. Homoiрамма для определения среднего гидравличес-
кого градиента ipom ПРИ открытом водоотливе в котлованах
[153]
Для определения значения гидравлического градиента (граничного
значения градиента)» при котором еще возможно применение механи-
зированного способа разработки грунта с нахождением техники на дне
котлована, вес машины Q = Gg принимается равным несущей способ-
ности грунта 7V. После этого приведенное выше выражение решается
относительно величины, р^, которое соответствует предельно возможно-
му значению PQr> допускающему механизированную выемку грунта
из котлована.
Таким образом получаем
р- =---------------------. (8.13)
Из этого выражения может быть получено значение плотности грун-
та, при которой он еще может выдержать определенную нагрузку. Раз-
ница между значениями p'g и PqjS представляет собой часть нагрузки,
которая из-за гидравлического давления р^ фильтрационного потока мо-
жет быть воспринята, прежде чем наступит предельное состояние несу-
260
щей способности грунта. Этому давлению грунтового потока соответ-
ствует следующее значение гидравлического перепада давлений:
iGr = P' -P'GrlPw <814)
Значение максимального выходного перепада давления i фильтраци-
онного потока у подошвы стенок широкого котлована при большой
мощности водопроницаемого слоя грунта определяется по (7.6) и дан-
ным рис. 7.7:
max7 = /zw/(^).
В этом случае гидравлический напор для граничного значения перепа-
да i(jr в точке пересечения откоса или стенки котлована с его основа-
нием будет определяться как
~ ^Gr^i'
Критическое значение гидравлического напора для гидравлического
выпора грунта в основании котлована по (7.37) и (7.40) :
^wk ~ ~ р д'' (8.15)
Надежность грунта против возможного гидравлического выпора,
которая соответствует предельной несущей способности грунта основа-
ния котлована, при перепаде давления фильтрационного потока i^r
определяется следующим образом:
. = A*=w=г (g лб)
с hw ‘Grnti Pw 4iGr
Если в это выражение подставить значение Ф' - 35°, которое по дан-
ным работы [62] t для гусеничных механизмов соответствует значению
rGr ~ А получим
XI = тг/ (4-0,4) 2,0.
G
Значение x]q_ - 2,0, при котором возможно применение механизиро-
ванного способа разработки грунта котлована, соответствует приведен-
ным в разд. 7.3.1 значениям коэффициента надежности.
Мисливец [85] установил, что работающий в котловане рабочий не
будет погружаться в песчаное основание котлована, если гидравличес-
кий перепад направленного вверх гидравлического потока грунтовых
вод будет меньше i^r = 0,5. В других работах приводятся эксперимен-
тальные данные, что рабочий может еще стоять на песчаной подушке
основания котлована до тех пор, пока гидравлический перепад не будет
достигать значения от 0,50 до 0,75 в зависимости от угла внутреннего
трения грунта. Для обычных условий при сооружении котлована в од-
нородном грунте максимальное значение гидравлического перепада
может быть определено по выражению
maxi - Др / min As - hw A <^/min As,
261
которое вытекает из предположения потенциального движения грунтово-
го потока. Если для предельной несущей способности грунта вместо зна-
чения шах/ подставить значение предельного перепада 1^г, то может быть
получено значение максимального гидравлического напора
hw = 'Q-minAs
где minis - кратчайший путь фильтрации между наблюдаемыми потенциальными
линиями; — разница потенциалов между конечными точками на пути is.
Пример. Для определения возможности размещения на дне котлована, располо-
женного н несвязных рыхлых грунтах, гусеничного планировщика, необходимо
определить предельно возможное значение гидравлического перепада давления
поднимающегося фильтрационного потока. Данные по используемому механиз-
му: удельное давление на грунт составляет р ~ 5,0 Н/см2; ширина гусениц В =
=500 мм; длина гусеницы — L " 2,37 м.
Характеристики строительного грунта в котловане: р’ = 1,1 т/м3; Ф* = 35°:
^4? = 0,70.
Для применения уравнения (8.13) необходимо вычисление следующих вспо-
могательных значений [208]:
» = 1; Х^ = 20; ;в = 1; $д = 1; = 1 - 0,15^^-=0,97; mfi = 0,80.
С использованием этих значений получим
<?Gr ~
2
-----------------------= 0,000644 ™-=- “0,000644 кг/см3 =0,644 т/м3.
1*20-50-1-1 *0,97*0,80-10 м-см3
Гидравлический перепад давления по
(8.14) составляет
fGr ~
(1,1-0,64)
’1,0
= 0,46.
8.6.2, Разработка грунта многослойного грунтового основания кот-
лована. При выемке грунта из котлована в случае слоистых грунтов не-
обходимо обращать большое внимание на фильтрационные характерис-
тики отдельных слоев грунта. Ниже приводятся случаи, на которые
должно быть обращено особое внимание:
слой крупнозернистого грунта расположен на слое мелкозернисто-
го основания;
слой мелкозернистого грунта расположен на слое крупнозернисто-
го основания;
слой мелкозернистого грунта расположен между двумя слоями
крупнозернистых песков.
К категории мелко- и крупнозернистых песков в данном случае
могут быть отнесены и другие грунты, имеющие мелко- или крупно-
зернистую структуру. Разработка вышележащего слоя крупнозернис-
того грунта обычно происходит без осложнений. Однако при достиже-
нии плоскости контакта с нижерасположенным мелкозернистым грун-
товым слоем условия производства работ сразу существенно меняются,
что во многих случаях может привести к необходимости изменения
технологии производства работ, как, например, невозможность ступен-
чатой выемки грунта из котлована. В некоторых случаях допускается
применение лишь грейферных экскаваторов, которые располагаются
на прилегающей к котловану площадке.
262
Рис. 8.17. Критическое значение гидравлического напора в зависимости от вы-
сотного положения основания широкого котлована
а — водопроницаемый верхний слой грунта; б — малоеодопронццаемый верх-
ний слой грунта
На рис. 8.17 приведены значения критических гидравлических дав-
лений в зависимости от высотного расположения основания котлована.
Величина максимально возможного критического гидравлического
давления уменьшается по мере увеличения глубины котлована. При
этом давление фильтрационного потока возрастает от верхней границы
слоя к его нижней границе, что приводит к уменьшению несущей способ-
ности грунта в основании котлована по мере увеличения глубины.
Несущая способность мелкозернистых верхних слоев в результате
концентрации потенциалов давления в этом случае может понижаться,
что может привести к возникновению технологических проблем. Во
многих случаях установка механизмов на дне котлованов невозможна
и поэтому необходимо использование специальных механизмов для вы-
емки грунта из котлована или применение какого-либо способа водо-
понижения.
Рис. 8.18. Расположение линий равного потенциала в траншее при
двухслойном основании
а - водопроницаемый слой грунта; б - маловодопроницаемый
слой грунта
263
На рис. 7.27 и рис. 8.18 видно, что как для широких, так и узких
котлованов гидравлический градиент i - dh/б/ и тем самым давление
грунтового потока ps = Pwgi под основанием котлована при относитель-
но более плотном верхнем слое будет больше, чем в случае менее плот-
ного слоя грунта.
При учете критического значения гидравлического давления при пере-
менной глубине дна широкого котлована (см. рис. 8.17,6) условие не-
устойчивости может возникнуть в том случае, когда основание котлова-
на располагается на отметке контакта двух слоев грунта. Это особенно
опасно в том случае, если в результате выемки слой более плотного
грунта имеет уже относительно небольшую толщину. Поэтому часто ста-
новится невозможным производить выемку грунта обычно применяе-
мыми способами. В качестве специальных способов в этих условиях
может потребоваться применение подводной выемки грунта. Если по-
верхность грунтовых вод располагается выше контактной плоскости
слоев грунта, то приходится переходить либо на применение подводного
бетонирования, или выемка грунта должна производиться при помощи
универсальных экскаваторов до момента достижения плоскости кон-
такта двух слоев грунта. Таким образом механизмы располагаются
либо на проницаемом слое грунта, устойчивость которого должна быть
дополнительно проверена, либо применяется специальный сильноводо-
проницаемый материал, который укладывается между подошвой котло-
вана и промежуточной отметкой, на которой располагается механизм,
которым производится выемка грунта.
Необходимая устойчивость грунта против возможного гидравличес-
кого прорыва должна быть проверена для всех промежуточных этапов
работы. Этот расчет может быть произведен при помощи приведенных
в разд. 7.3 формул, а также проверкой устойчивости при дополнительной
пригрузке.
В отдельных случаях целесообразно применение полного или час-
тичного водопонижения, с тем чтобы уровень грунтовых вод понизить
до отметок ниже контактных поверхностей между слоями грунта.
Если на крупнозернистом слое грунта располагается слой мелкозер-
нистого, то технология производства работ зависит от расположения и
мощности мелкозернистого слоя. Трудности в процессе выемки грунта
обычно возникают лишь после достижения мелкозернистого слоя и от-
сутствуют в процессе выемки крупнозернистого грунта. Это связано с
тем, что мелкозернистый слой грунта может быть расположен к теку-
чести или разрыхлению. В этих условиях необходимо водопонижение
или технология работ по выемке грунта из-под воды. После выемки
мелкозернистого слоя грунта работы могут продолжаться обычными
способами.
Для защиты котлованов при опасности выпора грунта основания
на его дно укладываются специальные слои фильтрующего материала.
При укладке слоя фильтрующего материала на дно замкнутого кот-
лована происходит удлинение путей фильтрации, снижение значений
имеющихся потенциалов давления и снижение значений скоростей по-
тока, поднимающегося к основанию котлована снизу вверх. За счет
повышения устойчивости грунта основания создаются более благо-
приятные условия для проведения работ в котлованах.
264
Должны предусматриваться дополнительные пригрузочные слои в
широких котлованах, особенно вдоль оснований их стенок и в углах.
Применение в качестве пригрузочных материалов бетона, готовых бе-
тонных плит, обладающих малой водопроницаемостью, изменяют потен-
циальную сетку движения в неблагоприятную сторону, так как возника-
ет концентрация восходящего потока и увеличение значения потенциа-
ла. С учетом этого обстоятельства надо отметить, что замораживание
основания котлованов опасно с точки зрения их последующего разруше-
ния, так как гидравлическое избыточное давление будет передаваться
на нижнюю сторону замороженного слоя грунта.
8.7. НАСОСЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ОТКРЫТОГО ВОДООТЛИВА
8.7.1. Выбор и установка насосов. При решении вопроса о способах
водоотлива в открытых водосборных системах возникает необходи-
мость выбора насосов и способа их установки. Насосы могут распола-
гаться непосредственно в водосборных колодцах или над ними выше
уровня воды (самозаливающиеся или несамозаливающиеся насосы).
При этом необходимо располагать их с учетом высоты всасывания.
Теоретически допустимая высота всасывания, соответствующая
нормальному атмосферному давлению, составляет 1013 мбар =
= 101,3 кПа, что соответствует 10,33 м вод. ст. Однако такая высота
всасывания не может быть использована. Практически ее значение за-
висит от качества насоса И ряда других показателей, однако обычно
высота всасывания не превышает 7,5 м вод. ст. При глубоких котлова-
нах необходимо устройство специальных берм для расположения на них
насосов с учетом требуемой высоты всасывания. На рис. 8.19 показаны
возможные варианты их расположения. При расположении насосов
выше уровня воды необходимо следить за тем, чтобы всасывающая
линия была бы по возможности минимальной длины.
Рис. 8.19. Расположение насосов
а — расположение насоса на дневной поверхности при
небольшой глубине котлована; б — расположение насоса на
берме; в - погружной насос на гибкой подвеске, расположен-
ный в сборном колодце; 1 - насос; 2 - всасывающий шланг;
3 — всасывающий клапан с сеткой; 4 — кабель электропита-
ния; 5 - напорная линия; 6 - сборный колодец; 7 — напор-
ный шланг; 8 - погружной насос на гибкой подвеске
265
Рис. 8.20. Насосная
установка для широко-
го котлована
а — опорная конст-
рукция для напорных
трубопроводов; б -
общий вид главного
напорного трубопро-
вода
Надежный водоотлив из резервуаров с открытой водной поверхно-
стью возможен лишь в тех случаях, когда предусматривается установка
нескольких насосов. Рекомендуется устанавливать не менее двух насо-
сов (один из них резервный). Для любых типов насосов целесообразно
применение нескольких насосов небольшой производительности вместо
меньшего их числа большей мощности.
Подвод к насосам электроэнергии в целях повышения ее надежности
должен производиться по двум электрическим цепям. Кроме того,
рекомендуется иметь специальный агрегат типа двигатель-генератор.
На рис. 8.20 показано расположение насосной установки для широко-
го котлована. Главный открытый водосборный канал присоединен к
двум насосным зумпфам, в которых были установлены по четыре по-
гружных насоса. На рис. 8.20,а показан общий вид насосной установки,
а на рис. 8.20Д — подключение насосов к общему напорному отводяще-
му коллектору.
8.7.2. Типы применяемых насосов. Мем бранные или диафрагменные
насосы работают по принципу поршневых насосов. Они оборудуются
резиновыми или кожаными манжетами и предназначены для ручного
или моторного привода. Они используются в небольших котлованах
для всасывания (нагнетания) на высоту не более 6 м вод. ст. Их приме-
нение все более ограничивается, постепенно они вытесняются центробеж-
ными и погружными насосами.
Центробежные насосы. Для откачки воды широко применяются раз-
личные типы грязевых и низконапорных центробежных насосов. При-
266
менение обычных низконапорных центробежных насосов для откачки
загрязненных вод является ограниченным. Значительно более надежны’
ми при откачке загрязненных вод являются центробежные грязевые на
сосы.
Центробежные насосы соединяются с электромоторами или двигате-
лями внутреннего сгорания. Они применяются для откачки больших
расходов и при необходимости подъема воды на большую высоту.
Электрический привод центробежных насосов более предпочтителен
в связи с его относительно небольшой стоимостью, небольшой площади,
необходимой для установки, и простотой регулирования тока. Они долж-
ны располагаться как можно ближе к отметке водной поверхности. Пре-
дельная высота всасывания, рекомендуемая для каждого типа насосов,
не должна быть превышена. Геометрическая высота всасывания опреде-
ляется как разница отметок уровня воды в водоеме и оси вращения ва-
ла насоса.
Вращающий момент передается на вал насоса и рабочее колесо через
эластичную резиновую муфту, что позволяет при небольшой высоте вса-
сывания обеспечить самовсасывание, при котором происходит некото-
рый подъем уровня воды во всасывающей линии, захват ее лопастями
рабочего колеса и подачей в напорную часть насоса.
Электродвигатель должен быть подсоединен к линии трехфазного
тока таким образом, чтобы вращение его вала происходило в направле-
нии, при котором насос будет обеспечивать подачу воды в напорную
линию. Насосы должны устанавливаться строго горизонтально и закреп-
ляться таким образом, чтобы исключить возможность их смещения.
Диаметр всасывающей линии не может быть меньше диаметра всасываю-
щего патрубка насоса и должен быть плотно и прочно присоединен к
фланцу для исключения возможности подсасывания воздуха. Если на-
сос не обеспечивает такую высоту всасывания, при которой может
произойти самозалив, задвижка на всасывающей пинии должна рас-
полагаться на 300—500 мм ниже линии минимального уровня воды в
приемном приямке. Расположение задвижки ниже уровня воды в приям-
ке обусловлено необходимостью исключения возможности подсасыва-
ния воздуха во всасывающую линию. Расстояние между вентилем на вса-
сывающей линии или торцом и дном приямка должно быть не менее
100 мм ддя предотвращения взмучивания дна.
Грязевые центробежные насосы работают на самозаливе или требу-
ют применения специальных устройств для их заливки перед пуском.
Воздух из улитки насоса должен быть удален. Между напорной линией
насоса и его напорным фланцем должна устанавливаться регулирующая
задвижка, позволяющая регулировать величину откачиваемого расхода
воды. Запуск насоса после его заполнения водой производится при за-
крытой задвижке на напорной линии. После пуска задвижка постепенно
открывается до тех пор, пока величина откачиваемого насосом расхода
не совпадает с величиной притока воды в приямок. Закрытие задвижки
при установке насоса на открытом воздухе должно производиться до
того, как будет остановлен электродвигатель.
Погружные насосы. Этот тип насосов применяется для расходов до
400 м3/ч и при необходимости подачи воды на высоту до 26 м. Расходно-
напорные характеристики насосов приведены на рис. 8.21. Особенность^
этого типа насосов является размещение самого насоса и его электродви-
267
Рис. 8.21. Расходно-напорные характеристики подвесных погружных насосов
типа Л, В, СиО =
7 — hm — для насоса типа А, м; 2 — hm — для насоса типа В, мм; 3 —
для насоса типа С, м; 4 - мощность насоса типа О Npt кВт; 5 - hm для насоса <
типа О, м; 6 - для насоса типа О. м; 7 - характеристика трубопровода
{hB + hv) ,м; 8 - КПД насоса 7}р
гателя в одном водонепроницаемом корпусе. Двигатель приводит во вра- <
щение рабочее колесо насоса, закрепленное на его валу. При этом вода, j
перекачиваемая насосом, проходит через двойную рубашку, из которых '
одна предназначена для охлаждения корпуса статора электродвигателя.
После этого вода поступает в напорную линию насоса. is
При помощи этого типа насосов может осуществляться перекачка |
как чистой, так и загрязненной воды. При сильнозагрязненной воде
необходимо через определенные промежутки времени производить |
несколько кратковременных выключений и включений насоса для про-
мылки. $
При работе насос не требует постоянного наблюдения. Насосы подве- |
шиваются к какой-либо конструкции около зумпфа таким образом,
чтобы они несколько не доставали до дна. До его включения в сеть долж- |
на быть проверена электрическая изоляция. Также должно быть провере- |
но направление вращения вала насоса. Правильное направление вращения |
определяется в момент включения насоса, при этом его корпус должен J
получить толчок в направлении, обратном вращению часовой стрелки. I
При работе в зимнее время необходимо следить за тем, чтобы не |
произошло вмерзание насоса в лед. Если насос извлекается из воды при
минусовых температурах, его не следует останавливать в течение 20— ]
30 мин до полной просушки. При несоответствии расхода и притока J
воды в приямок насос может в течение некоторого времени работать с J
периодическим всасыванием или даже без воды.
На рис. 8.22 показан погружной насос со следующими характерис- j
тиками: производительность — до 35 м3/ч, развиваемый напор — от 20 ’Ц
до 0, частота вращения вала — 2700 об/мин, потребляемая мощность — 1
1,5 кВт. Я
268
8.7.3. Расчет мощности насосов. Динамомет-
рический (полный) напор насоса h записывает-
ся в виде
hm=hg + ha +hv=hg+2T + hv'
(8.17)
где h% — геометрический напор;
во всасывающей линии; h —
на трение.
Л - скоростной напор
напор с учетом потерь
Коэффициент полезного действия насоса’опре-
деляется по выражению
Рис. 8.22. Центробеж-
ный насос типа ”Соф-
фел” для загрязнен-
ной воды
V +^vi) ’ (8.18)
где ft * - потери в самом насосе.
Потери напора hv в трубопроводах пропорциональны г2, т.е. значению
квадрата расхода Q2. Если потери напора представить зависящими от
Q2, то напорно-расходная характеристика трубопровода представляется
как квадратичная парабола, по которой могут быть получены зависи-
мости Q/hm и Q/h^
Потребляемая насосом мощность N составляет
Мощность привода насоса из-за возникающих внутри самого на-
соса потерь больше, чем величина мощности насоса. В соответствии с
(4.30) имеем
^e = QhmPws/4p- (8.19)
Электрическая мощность привода с учетом коэффициента полезного
действия двигателя может быть определена как
/V - QhmPwg
М „ „
^Р^М
(8.20)
Пример. Для насоса типа ”С” (см. рис. 8.21) определить электрическую мощ-
ность привода для Q = 20 мэ/ч; Л = 14 м; п - 0,60; = 0,85 и о а= 1 т/м-Эх
х9,81 м/с2 =9,81 кН/м3. Р М w
j - 2044-9,81
М 3600*0,60*0,85
-1,498 кН*м/с = 1,5 кВт.
269
8.8* РАСЧЕТ ВОДОПРИТОКА
Расчету притока грунтовых вод в котлован посвящены многочислен-
ные теоретические и экспериментальные исследования. В этой книге
этот расчет приводится в кратком виде.
Гомогенность и анизотропия грунтов в их естественном состоянии
могут быть выражены только приближенно численными значениями
показателей для разных расчетных моделей. Расчетные предпосылки
принимаются с допущениями, которые в большей или меньшей степени
соответствуют реальным условиям.
Рассмотрим наиболее часто встречающиеся практические случаи,
которые могут быть решены при помощи классических методов расче-
та. Более сложные задачи, такие, как многослойные грунты, или нали-
чие грунтовых вод в связанном виде в грунте и др., требуют специаль-
ного рассмотрения и исследования. Поэтому для расчетов притока грун-
товых вод необходимо использование специальной литературы [2, 41,
42, 45, 53, 54, 55, 99, 132] или проведение модельных исследований.
Новые исследования, приводимые в работе [17], предусматривают так-
же рассмотрение нестационарных процессов, что обеспечивает высокую
точность расчетов.
8.8.1. Распространение депрессионной кривой при водопонижении.
По Тииму под распространением кривой депрессии при водопонижении
понимается расстояние от колодца или сборной канавы до точки, в ко-
торой при водопонижении еще может быть заметно понижение уровня
грунтовой воды. Образующаяся при водопонижении воронка постепен-
но развивается до достижения ею теоретического предела.
Знание положения депрессионной кривой имеет большое практичес-
кое значение, так как позволяет определить необходимое расстояние
между колодцами, из которых будет производиться откачка воды.
В практических расчетах чаще всего используются методы, разработан-
ные Сихартоми Кусакиным.
По Сихарту
R = С [Я - (й „ + или R = Сл/к, (8.21)
гае ft - радиус кривой депрессии; С — постоянная, значение которой принимается
равным С = 3000 для колодцев, в которых приток воды происходит под действием
гравитационных сил, и С = 1500.-2000 для длинных прорезей, канав и др.; s — по-
нижение уровня воды у колодца s = Н— (й + /И, м; к — коэффициент фильтра-
ции, м/с.
По рекомендациям Кусакина величина /? определяется по следующей
формуле;
Л = 2[Я-(Л0+у]Т^.
В эту формулу значение коэффициента к^ должно подставляться в
м/сут. С учетом пересчета значения коэффициентов и к получим фор-
мулу в следующем виде:
Л = S68\/H [Н - (hn + Л,)] VF-
Разница высот уровня грунтовых вод в дренажной траншее и точки
выхода грунтовых вод на ее границе может быть определена по рекомен-
дациям Шалмана и представленной на рис. 8.23 диаграмме. На определен-
270
Рис. 8.23. Диаграмма для определения перепада высот меж-
ду точкой выхода грунтовой воды у стенки колодца и уров-
нем воды в нем [54 J
ном участке стенки дренажной траншеи имеет место вертикальная вод-
ная поверхность (см. рис. 8.28). Величина перепада может быть опреде-
лена по диаграмме следующим образом:
R/H и й0/Я для чего hJH. (8.22)
8.8.2. Котлованы протяженной формы в условиях притока грунтовых
вод. Дрены с водопроницаемыми стенками. Приток воды в протяженном
дренажном устройстве (рис. 8.24,а) длиной L может быть определен но
Депюи—Тиемшену при рассмотрении плоской задачи течения грунтовых
вод и при двустороннем притоке к дрене по следующей формуле.
Q = Lk(ie-h*a)IR. (8.23)
При этом поверхность депрессионной кривой описывается по урав-
нению
Нг= R-x[lP - (h„ +Й)1.
<J J
Уравнение (8.23) приводит, особенно при рассмотрении случаев ко-
ротких котлованов, к заниженным значениям, так как не учитывает
объемность притока на стороне фронтальной поверхности. Более точна
формула Тешке [134], которая учитывает объемность притока для
случая эллиптической формы свободной поверхности уровня грунто-
вой воды при водоотборе, при которой можно пренебречь шириной
дренажной траншеи ло отношению к ее длине B/L «« 0. Для этого случая
им рекомендуется следующая зависимость:
тгЛ(Я2~/12)
Q =----1----_о±_ =------\—--------------. (8.24а)
arcsin/i(2/?/£) ln[2R/i+V(2«/i)T+ 1]
271
(8.246)
Для значения R/L > 1,8 при условии круговой формы внешних гранич-
ных значений с достаточной для практического применения точностью
может быть использована следующая зависимость:
И 1п(4Л/£)
для значении R/L < ОД 22 — зависимость
Lknif^-hl)
Q =-------2_—2-,
т.е. это означает, что получаемое значение в (тг/2) раза больше получае*
могопо (8.23).
При связанной воде может быть использована зависимость
2яШ(Я -й„) = 2>йИ(Я-^>. ,
arcsinA (2R/L ) 1п[2Я/1 + х/(27? + £)2+1]
где М — мощность связанной воды в слое грунта, по которой она движется.
В случае, если водоупор имеет продольный уклон i (рис. 8.24,6),
а в дрену длиной £, м, подводится расход грунтовой воды q ~ Hki,
справедлива следующая запись;
Q-LHki.
(8.26)
Для кривой депрессии можем записать
Н — h
ix =Я1п-----° - (z - h ).
Я-z 0
По результатам модельных исследований, проведенных Шапманом, в ;
случае движения грунтовых вод только под действием гравитацион-
ных сил приток грунтовой воды в дренажную траншею, изображенную
на рис. 8.24^в, будет составлять
е/Л=29=Л(0,73+0,27(Я-Ло)/Я)(Нг-*„)//? (8.27)
Это уравнение справедливо при R/H > 3. При одностороннем питаний
дренажной траншеи вода будет поступать в нее при максимальном зна- л
чении высоты напора i
Л^=йв[1.48(Я-й0)/Я + 1].
Для котлованов большой протяженности приток воды будет склады-
ваться из двух частей — притоков ql и q2 и для траншеи длиной Дм,
(рис. 8.24,г), он будет составлять на единицу длины
® = q +q = -М 5к + Y (8.28)
L 2 \ R2 4 1 '
Пример 1. Необходимо рассчитать величину притока грунтовой воды в доходя-
щую до водоупора дренажную траншею при следующих геометрических парамет-
рах: ширина В = 4 м; длина L = 100 м; расстояние от поверхности грунтовых вод
•ч
272 I
“1
S)
Рис. 8.24. Схемы для определения притока грунтовой воды в траншей
а - траншея, доходящая до водоупора и расположенная в одном горивок-
тальком водоносном слое грунта; б — траншея, доходящая до водоупора в
наклонном водоносном слое; в — траншея, не доходящая до водоупора в го-
ризонталъном водоносном слое; г — траншея, доходящая до водоупора с од-
носторонним притоком грунтовых вод; д — траншея с водонепроницаемыми
стенками
до отметки водоупора Н ~ 5,0 м; высота уровня воды в дрене по отношению к
отметке водоупора /iQ "0 м. Коэффициент фильтрации грунта к = 10^3 м/с.
Решение. 1. Радиус кривой депрессии определяется по (8.21). Принимая значе-
ние Л = 300 м, получим R/H ~ 300/50 = 60. При й /№0 по рис. 8.23 получим зна-
чение h /Я = 0,10, таким образом имеем Л = 0,10-5,0 = 0,50 м и, используя это зна-
чение, получим /J = 2000-4,5лДо 3 = 285 м.
2. Расчет по (8.23) без учета притока грунтовой воды во фронтальную стенку
приводит к следующему:
__3
Q _ -5,02 8,774 О3 м3/с = 8,7 л/с.
285
3. Расчет по (8,24а) дает следующее:
Q -----------^1°_ -----------= 32,2-103 м3/с = 32,2 л/с.
In [2'285/100+У(2’285/100) 2+1]
4. Расчет по (8.246) даст:
R/L = 285/100 - 2,85 > 1,8, поэтому с достаточной точностью может быть ис-
пользована зависимость
273
U-743
(8.29)
3 2
Q = _511_—-32.3-1С-3 M3/c = 32.3 л/с.
In (4-285/100)
Пример 2. Необходимо определить приток грунтовой воды в дрену, не дохо-
дящую до водонепроницаемого грунта, при следующих геометрических парамет-
рах: ширина # = 4 м, длина дрены L = 100 м, глубина Н — 10 м и "5 м. Коэффи-
циент фильтрации грунта Л = 10 м/с.
Решение. По (8.27) с использованием ранее полученного значения радиуса /? =
= 285 м:
2# = 10“3 (0,73+0,27 (10-5/10) (102-52)/285 = 0,225-1СГ3 м3/(с-м).
Для полной длины дрены
2 = 2<?Л = 0,2254 0“3 -100 м - 22,5-10“3 м3 /с = 22,5 л/с.
Дрены с водонепроницаемыми боковыми стенками. Котлованы, ог-
раниченные водонепроницаемыми стенками, рассчитываются на приток
грунтовых вод через их основание либо по построенной гидродинами-
ческой сетке, либо по приводимым ниже специальным расчетам. По Ка-
рафиату с некоторой степенью приближения можно использовать следу-
ющую формулу (см. рис. 8.24/)):
-Q-^2kh (J-ln + у/(--£-)2+11
L \ тг 2^ v v 2fy 7 1
Кроме того, для определения полного притока в дренажную траншею по
Мол пару [132] может быть использована формула
С=ЛМЛ/(й + 2//). (8,30)
В рассматриваемых ниже расчетах истинное значение величины h оп-
ределить трудно, кроме того, определяемые значения притока воды мо-
гут быть приближенно определены только в тех случаях, когда водоне-
проницаемый слой грунта находится на небольшой глубине ниже осно-
вания котлована. При этом надо иметь в виду, что с уменьшением тол-
щины водопроницаемого слоя приток воды будет уменьшаться. При точ-
ных расчетах необходимо учитывать зависимость величины притекаю-
щего расхода от конкретных строительных условий, т.е. t/H. Вебер
[41] учитывает также влияние шпунтовых стенок введением величины
Q = £?0 (1 -3) *• где Qo — расход (при отсутствии шпунтовых стенок).
Входящую в формулу величину /3 можно определить по следующим
0,20 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90
0,10 0,20 0,26 0,32 0,39 0,49 0,64
е ч а н и е. t — глубина погружения шпунта ниже уровня грунтовых
вод; И — мощность водопроницаемого слоя грунта.
Приведенные значения /3 могут рассматриваться лишь как приближен-
ные, так как при их определении имело место пренебрежение рядом
других геометрических параметров.
Уравнения (8.29) и (8.20) приводят к получению несколько завышен-
ных значений, так как используемые в них величины определяются по
гидродинамической сетке, построенной для котлованов, расположен-
ных в открытых водоемах. В уравнении (8.30) это обстоятельство про- '
274
данным:
г
И п и м
Рис. 8.25. Линия тока и потенциала при поступлении во-
ды под шпунтовой стенкой в однородном грунте
------ — котлован заполнен грунтовой водой;-------
котлован устроен в открытом водоеме
слеживается отчетливо, так как в этом случае расчет ведется для сред-
него значения гидравлического перепада вдоль кратчайшей линии тока
h] (h + 2/у), что имеет место при фильтрационном потоке в однородных
грунтах, обтекающим стенки, ограничивающие котлован, непосредствен-
но у их основания. Изменения гидродинамической сетки и линий рав-
ных потенциалов для случая, когда котлован располагается в грунтовом
потоке, показаны на рис. 8.25.
Варшатом были проведены многочисленные исследования [153]
на электроаналоговой установке, а также установке, позволяющей
моделировать наличие трещин в грунте. Были получены расчетные
уравнения, параметры которых определяются по построенным номог-
раммам в зависимости от геометрии узких котлованов с учетом следую-
щих характеристик:
притекающий расход;
положение уровня грунтовых вод;
среднее значение падения уровня фильтрационного потока в котло-
ване;
значения потенциала у подошвы стенки;
продолжительности нестационарного водопонижения.
Величина поступающего при одностороннем притоке расхода на еди-
ницу длины стенки может быть определена как
Ч=Щ/к), (8.31)
где q/k получают по приведенной на рис. 8.26 номограмме.
275
Рис. 8.26, Номограмма для определения притока грунтовой воды
при открытом способа водоотлива [153 ]
Положение уровня грунтовых вод за стенкой, ограничивающей котло-
ван, также может быть определено по Варшату. Проведенные исследова-
ния показывают, что форма депрессионной кривой в случае замкнутого
котлована в общем случае с достаточной точностью может быть исполь-
зована в теоретическом расчете для случая так называемого крайнего
дренажа, значения ординат которой могут использоваться на участке
до стенки, ограничивающей котлован. Для этого случая являются спра-
ведливыми ординаты, определяемые зависимостью
й = h +_________С* 1т у
п UW R 1
гр$ hjjW — высота кривой депрессии, отсчитываемая от отметки свободной по-
верхности до отметки поверхности водоупора, “ потенциал
в точке пересечения кривой депрессии под стенкой котлована (определяется по
рис. 8.27).
276
Рис. 8.27. Номограмма для определения положения депрессионной
кривой при открытом способе водоотлива [15 3]
Пример. Необходимо рассчитать приток воды в ограниченный шпунтовыми
стенками котлован, имеющий значительную протяженность, который располагает-
ся в горизонтальном водопроницаемом слое грунта.
Исходные данные: ширина котлована В = 12,5 м; t = 5 м; И = 10 м; Я= 12 м;
Г„-2м; £ = 103м/с.
Решение. 1. Расчет по (8.31).
Для значений, входящих в номограмму (см. рис. 8.26), и данных рис. 8.27
значение радиуса/? будет равно 100 м.
tB/t = 2/5 =0,4 1
t/H =5/10=0,5 I
R/H =100/10 = 10
B/2R =12,5/2 = 0,06 j
По рис. 8.27^=0,125
По рис. 3.26q/k - 0,08
Величина понижения 5 = ~ 2,00(1-0,125) = 1,75 м. Радиус депресси-
онной кривой (8.21) R - 200CF1,75-10 3 = 110 м.
Односторонний отвод грунтовой воды на 1 м дренажа по (8.31) будет равен
(? = 10“3-0,08 = 8,0-10 5 м3/ (с*м) =0,08 л/(с-м).
При двустороннем отводе грунтовой воды
277
Q/L = 2q = 2-0,08 = 0,16 nf (c-м).
2. Расчет no (8,29) при h =0,25 m:
= 2-10"3-0,25 {|-ln 0,236-10"3 m3/ (c-m) =
= 0,24 л/(c-m).
3. Расчет no (8,30) для L = 1 m:
Q = 12,5-1(T3-0,25/ (0^5+2-3,00) = 0,48-10^3 m3/c =0,48 л/с.
8.8.3. Замкнутые котлованы в открытых водоемах. Приток грунто-
вой воды в котлованы может быть рассчитан точно только в тех случа-
ях, когда известна гидродинамическая сетка, фильтрационные характе-
ристики грунта и гидравлический напор грунтовых вод, так как в этих
условиях становятся известными величины гидравлического градиен-
та i = —Ah/Al и значение скорости фильтрационного потока г = ki в каж-
дой точке поля скоростей.
Приток воды на каждый погонный метр длины котлована в этом
случае определяется по выражению
, А. ДА . hw АЛ
q = k&hrn — = к—тп .
As п As
По гидродинамической сетке отношение АЛ /As = 1, вследствие чего
будет справедлива запись
q=khwm/n, (8.32)
ГДе Ab — расстояние между двумя линиями тока; As — расстояние между двумя
потенциальными линиями; т - количество трубок тока; и — число различных ли-
ний равного потенциала.
Представленная на рис, 7-19 гидродинамическая сетка содержит, на-
пример, шесть трубок тока и десять различных значений потенциалов,
так что в этом случае расход воды определяется по формуле q -kh х
хб/10.
Боллинг [14] обозначает в уравнении (8.32) отношение т/п как фак-
тор скорости Ф, с учетом которого записанная выше формула принима-
ет следующий вид:
«=*йн,ф; (8.33)
Боллинг исследовал функциональную зависимость между фактором
скорости Ф и геометрическими характеристики стенки t/b и tjb в диа-
пазоне 0,1 < t/b < 1000 и 0< t/b < 200, и представил результаты иссле-
дования в виде диаграммы. Для определения величины фильтрацион-
ного расхода для замкнутой стенки пригодны геометрические соотно- '
шения t/b > 1 и t/b > 10.
Для этих условий по Боллингу фактор скорости Ф может быть
записан следующим образом: :
Ф = (algr/Л)2.
Факторы а и d являются функциями отношения t^/b. Фактор скорое- =
ти Ф может быть определен по представленной на рис. 8.28 диаграмме, J
:'5
Л
278
Рис, 8.28. Фактор скорости Ф по Боллингу [14]
ПОДПО₽МОЕ
СООРУЖЕНИЕ
Рекомендации Боллинга применимы только для широких котлованов.
На основании проведенных Коротковым модельных исследований проф.
Чугаев [140] для случая простой шпунтовой стенки рекомендует поль-
зоваться следующей формулой:
? = khw -г— • (8-34)
Зчщ
Значение функции обозначается как коэффициент
сопротивления и определяется по данным на рис. 8.29.
В работе [121] рекомендовано для достаточно мощного водоносного
слоя грунта величину притока грунтовой воды в траншею определять в
соответствии с рис. 8.30 по следующим зависимостям:
Рис. 8.29. Коэффициент сопро-
тивления по Чугаеву [140]
279
4=khw
Q=khw
1
a + a
1 2
— для симметричных условий,
— для несимметричных условий.
(835)
В вышеприведенных формулах принято, что
а=/Ш й| = ) ип2 =/(ЯЯ2).
Значения функции а по данным [121] приведены ниже:
f/H ОД 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
а 2,061 1,615 1,350 1,157 1,00 0,864 0,741 0,619 0,485 0
При сравнении приведенных значений коэффициента а со значениями»
полученными Чугаевым—Коротковым, видно их полное совпадение
(см. рис. 8.29).
Приток воды в замкнутые котлованы большой и малой ширины мо-
жет также определяться по формуле, полученной Давиденковым [26].
В этом случае расход, притекающий с одной стороны котлована, оп-
ределится по следующей формуле:
q = kh-------
w
(8.36)
w
Значение f = 1/Ф1 + Фп может быть определено либо по данным рис.
7.21,с, либо по методике расчета Боллинга. Приток грунтовых вод при
неограниченных фильтрационных потоках в цилиндрический котлован
определяется при применении фактора f с введением поправочного ко-
эффициента 0,80, а при небольших квадратных в плане котлованах вве-
дением поправочного коэффициента 0,75.
Пример. Необходимо рассчитать приток грунтовой воды в оконтуренный шпун-
товой стенкой длинный котлован, расположенный в открытом водоеме. Расчет
ведется на 1 м длины стенки котлована. Все раздиры приняты в соответствии с
рис. 8.31. Коэффициент фильтрации грунта к = 10-3 м/с.
Решение. 1. Расчет по (8.33) и рис. 8.28:
iiffii । и ifrii 11ilnil ii и iij ij ih'i ill in i n । й ii i
ПITliS TT1TT in nWП1ТГТ ITT ПТI TH ТГТ ITnrflVrfi
Рис. 8 30. Расчетные схемы для расчета по Шокличу—Форхай-
меру [121]
а — симметричный случай; б — несимметричный случай
280
Рис. 8.31. Схема ограждения кот-
лована шпунтовой стенкой
t/B =5,00/0,40=12,5 1 ф=0>55.
^/£=4,50/0,4 =11,25 )
q =Л;?НФ = 10^3-2,00-0,5 5 = 1,10-Ю-3 м3/(с-м);
Q/L = 2q - 24,10 = 2,20 л/ (с-м).
2- Расчет по (8,34) и рис. 8.29:
г./Я = 3,00/9,50 =0,32
*чш = 1'80;
Я./Я = 8,00/9,50 = 0,84 J
<7 = 10 3*2,00/1,80 = 1,1140 3 м3/(с-м) = 1,111 л/(с-м);
Q/L =24,11 =2,22 л/(ем).
3. Расчет по (8.35) дает следующий результат:
f/H* = 5,00/9,50 =0,53 =0,96;
f/H^ =5,00/8,00 =0,62=0,84;
q = 10-3-2,00/(0,96+0,84) =1,11403 м3/(см) = 1,11 л/(с-м) ;
Q/L =24,11 = 2,22 л/(с-м).
4. Расчет по (8.36) ирис. 7.21,д дает результат:
50/9,50 =0,47 j ф =Q^ i
H*!b = 8,00/6,25 =1,28 ф _ , f~ 0j92 + 0,92^1
Г./Я' = 3,00/8,00 =0,38 П
q = 10 3*2,00/1,84 = 1,0940"3 = 1,09 м3/ (с-м) = 1,09 л/(с-м);
Q/L = 24,09 = 1,18 л/ (с-м).
Примечание. В разд. 8.2.2 приток воды был рассчитан для котлована ана-
логичных размеров.
8,8,4. Котлованы с откосами, находящиеся ниже уровня грунтовых
вод. При выполнении расчетов по притоку грунтовых вод к котловану
281
Рис. 8.32. Схема плоского котлована приведенного
радиуса
обычно исходят из предположения использования теоретического расче-
та притока воды к отдельному источнику. Для больших по размерам
плоских котлованов значение приведенного радиуса определяется по за-
висимости:
re = V'V* - , (8-37)
где Lm и - размеры котлована (см. рис. 8.22).
При рассмотрении протяженных котлованов приведенный радиус при
нимает ся равным г -rjL. Значение г/ определяется по зависимости
77 = 0,4 + т/5 при т -B/L.
Рис. 8.33. Значения т ил [41]
282
Круговая форма котлована может в дальнейшем рассчитываться при
значении re - т}(Ь + В) /4, где L и В — размеры котлована, определяемые
по краю откоса на уровне их верхней кромки. Значения т? в зависимости
от В/L приведены ниже:
B/L 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,6
т? 1,05 1,08 1,12 1,144 1,16 1,174 1Д8 1,18
Приток через боковые стенки при круговой форме котлована совер-
шенного типа в соответствии с геометрическими размерами по рис. 8.32
определяется по формуле
О - . (8 38)
1п((Л + г )/г ] 1g[(« + re)/re]
При расчете притока грунтовой воды в котлован несовершенного ти-
па необходимо также учитывать приток, поступающий через основание
котлована. Для этого необходимо определить глубину, с которой будет
поступать грунтовая вода. Эта глубина На может быть определена в за-
висимости от отношения s/H , и для этого случая могут быть использо-
ваны приведенные в работе [49] зависимости:
з/Н0 0,2 0,3 0,5 0,8 1,0
1,3 1,6 1,7 1,85 2,0
Величина притока Q для условия На > Н составит
о=_ ™ (8 39)
1п[(Л+г„)/г„} h Л
С* С-
Приток Q при условии На<Н
q = s/A+n’5,£L (8.40)
1п[(Л+се)/^] ha ha
Приток грунтовой воды с учетом поступления воды через подошву
котлована может быть определен также по приведенной в работе [41]
формуле
C = ^[(l+-f-)m + ^-(l + 2_n)J, (8.41)
Но R Но
где t - глубина слоя, по которому происходит приток воды в котлован*, HQ - вы-
сота уровня грунтовых вод до понижения при устройстве дренажа по отношению
к отметке дна котлована; t =Я0, если расстояние Т между дном котлована и водо-
непроницаемым подстилающим слоем грунта будет больше, чем значение Н • t — Т
при условии, что Т . 0
Если подстилающий дно котлована слой грунта является водонепро-
ницаемым (/ = 0), то может быть использовано выражение
е = *Я“(т + £т/Я). (8.42)
Значения коэффициентов w и п могут быть определены по рис. 8.33.
283
В случае если водопроницаемость грунтов под основанием котлована
будет различной как в вертикальном, так и горизонтальном направлени-
ях, приток грунтовой воды может быть определен по зависимости
Q = itH ( —--------------+--------------------
0 \ In [ (R + г ) /л] тт/2 - arctg (f/r )
t- V
(8.43)
При определении толщины активной зоны t различные значения при-
тока грунтовой воды над и под отметкой дна котлована должны учиты-
ваться только в тех случаях, когда значения коэффициентов фильтрации
этих грунтов будут существенно различны, т.е. ку «
Расход открытого водоприемника относится к расходу закрытого
водоприемника Q& (см. рис. 8.32) в соответствии с уравнением, приве-
денным в [41] (если h соответствует h при закрытом водопонижении)
О
е0 / - Л2 )/ (Я2 - h£ ). (8.44)
Сравнительные расчеты и данные практических наблюдений показыва-
ют, что приток при открытом водоприемнике составляет от 0,25 до
0,50 притока при закрытом водоприемнике вертикального типа (см.
табл. 7.1). При этом необходимо отметить, что расход £? не учитывает
приток воды через основание котлована.
Другой метод расчета основан на том, что котлован рассматривается
как дренажная траншея, располагаемая вдоль периметра подошвы от-
коса котлована с односторонним притоком грунтовой воды. Величина
притока в этом случае определяется из рассмотрения двустороннего
притока воды на 1 м длины траншеи, который затем должен умножаться
на периметр котлована. Тогда величина притока для случая дренажной
траншеи совершенного типа по (8.23) определится как
е = 9Г/=-({^/2К)(№-Л2). (8.45)
Для дренажной трнашеи несовершенного типа, располагаемой по пе-
риметру котлована, Q определяется по уравнению (8.27), которое запи-
сывается в виде:
&= + 0,27-—^) (rf _ й2
(8.46)
Содержащиеся в приводимых ниже уравнениях значения радиуса
депрессии при водопонижении для случая притока к колодцу опреде-
ляется по R = 3000д/^Г, а для случая притока к дренажной канаве по
/г = 2000л/Г.
Высшая точка кривой депрессии в центре котлована при дренажной
траншее несовершенного типа, располагаемой по периметру котлована ;
(рис. 8.34), определится по формуле
А</ = Ло[-^2-(Я + йо)+11- (8-47) 5
Значения функций е1 и с определяются по рис. 8.35.
284
Рис. 8.34. Расчетная схема котлована с боковыми траншея-
ми, недоходящими до водоупора
I — отметка дна котлована
Приток грунтовой воды в котлован, который располагается в пони-
жающемся слое грунта, определяется по значению скорости грунтового
потока, умноженной на площадь, располагаемую перпендикулярно по-
току со стороны обоих притоков (с двух сторон) и примыкающей к
этому сечению активной зоне грунта, как это показано на рис. 8.36.
В соответствии с этим значение притока грунтовой воды определится
по выражению
п
Q = v(A1 + ... + AJ =ki S А-
7 = 1 1
С учетом приведенных на рис. 8.36 обозначений, получим
Q = кг (Яо + Zo) (Bq + 7?). (8.48)
Глубина активной зоны t складывается из глубины слоя, по которо-
му происходит сбор воды, слоя подсасывания и, кроме того, дополни-
тельного слоя, составляющего не более 200—500 мм.
Пример. 1. Необходимо определить значение притока грунтовой воды в кот-
лован с откосами. Размеры котлована и другие условия приведены на рис. 8.32
и составляют: длина L = 60,0 м; ширина Вщ =40,0 м; = 3,5 м; Т = 8,0 м;
Ло = 0,50 м: - 5,0 м; Н -11,5 м. Коэффициент фильтрации грунта к = 10-3 м/с.
285
Рис. 8.36, Схема для расчета притока грунтовой воды в
котлован
а — план; ₽ - вертикальная проекция действующего
поперечного сечения; 1 - направление течения грунтовой
воды %
-%:
Решение. 1. Определение искомой величины по (8-21). J
Направление потока фильтрации идет по линии, при которой перепад между J
отметкой выхода грунтовой воды и уровнем воды в котловане равен нулю. =4
1Л. Значение радиуса /? для отдельного колодца I
R = 3000/3,5 - 0,54 О-3 ~ 285 м.
1.2. Значение радиуса А для дренажной траншеи, проходящей по периметру
котлована -1
R = 2000 (3,5-0,5)хб0~Г = 190 м. |
2. Котлован как большой плоский колодец. ,1
2.1. Значение приведенного радиуса (8.37): Ц
=л/б0,0-40,0/7Г = 27,64 м.
2.2. Приток грунтовой воды через откосы котлована по (8,38) составит
^.«МСГ’м’/е^л/. I
1g [(285+27,64)/27,64] J
2.3, Приток грунтовой воды для котлована несовершенного типа в соответствикя
с (8.39) и (8.40) и учетом того, чго приток воды происходит как через откосы кот*я
лована, так и его подошву, составит Шв
s/HQ = 3,00/3,50 —0,86 = 1,90. Д
286
Глубина активного разреза Нц - 1,90-3,5 = 6}65 м. =6,65 м <Я = 11,5 м, т.е.
может быть использовано уравнение (8.40), по которому
hQ — 6,65 — 3,00 — 3,65 м.
q - 7Г1° 3 (6,65й - 3,65 й) /€.50 + 0,5-27,64 4>2-3,65 - 0,50 _
1л [ (2,85+27,64)/27,64] V 3,65 V 3,65
= 0,093 м3/с =93 л/с.
2.4. Приток грунтовой воды по уравнению (8.41) и рис. 8.33. = 40,0 м /
/ 285 м =0,14; t/R = 3,5/285 - 0,01; t =Н — 3,5 м, так как ТН. По рис. 8.33
га1=0,80ига = 1,93.
Тогда приток
С = Ю“ 3-3,52 [(1+1)0,8 + ~у-(1+1,93) =0,0272 м3/с =27,2 л/с.
285
3. Дренажная траншея располагается по периметру котлована у основания от-
косов.
3.1. Приток грунтовой воды через откосы по (8-45) составит
2 (60,0+40,0)10-3 „ , ,
q = --------------(3 5- _ оу, =0,0063 м3/с =6,3 л/с.
2-190
Приток воды в углах котлована используемой формулой не определяется.
3-2. Приток грунтовой воды в дренажную траншею несовершенного типа при
условии, что расстояние от водонепроницаемого слоя грунта под котлованом до
оси дрены составляет h - 8,2 м. По (8.46) и в соответствии с рис. 8.34 получим
2(60,0+40,0) ИГ 3
2-190
11,5-8,20 7 , ,
(0,73+0,27 (11,5й - 8,20") =0,0276 м3/с =
-27,6 л/с.
При этом приток грунтовой воды через подошву котлована также нс рассматри-
вается.
Пример 2. Определение величины понижения уровня грунтовых вод в центре
котлована. Гео метрические размеры котлована соответствуют данным рис. 8.34,
Н = 11,5 м; а =20,0 м; b =0,60 м; h =8,00 м; =7,50 м и R - 190 м.
Решение. Расчет ведется с использованием уравнения (8.47) и в соответствии
с рис. 8-35:
а/Р. = 20,0/8,0 = 2,50 -*<• =1,03;
Ь/Н = 0,60/11,5 = 0,05 ^с2 -0.85;
, „ . 1,03-0,85 ,
= 7,5 - --------{11,5+7,5 ) +1 ] = 8,16 м.
д 190
287
ГЛАВА 9. ОСУШЕНИЕ КОТЛОВАНОВ И ТРАНШЕЙ
ВОДОПОНИЗИТЕЛЬНЫМИ УСТАНОВКАМИ
9.1. ВИДЫ ЗАКРЫТОГО ВОДОПОНИЖЕНИЯ
Существует несколько способов водопонижения: гравитационный,
вакуумный и электроосмотический.
Г равитационный способ водопонижения состоит в том, что в резуль-
тате откачки воды насосами из специальных колодцев (скважин) воз-
никает перепад уровней, который вызывает под действием гравитацион-
ных сил приток воды в колодец и соответствующее понижение уровня
грунтовых вод. Это достигается откачкой грунтовой воды из системы
трубчатых колодцев, скважин или иглофильтров.
На рис. 9.1 показан процесс выемки грунта из котлована, при кото-
ром водопонижение производится с применением скважин с гравита-
ционным способом притока воды к ним. Скважины были устроены
по обе стороны котлована и оборудованы погружными насосными ус-
тановками. На рисунке видна верхняя часть одной из скважин, которая
в процессе выемки грунта из котлована была обнажена.
При применении вакуумного способа приток грунтовой воды к
скважине обеспечивается за счет образования в ней зоны пониженного
давления одним из следующих способов:
скважинами с вакуум-насосами;
иглофильтрами и вакуум-насосами;
эжекторной системой водопонижения;
установками электроосмотического водопонижения — иглофильтра-
ми с вакуум-насосами.
При применении электроосмотического водопонижения вода, содер-
жащаяся в порах грунта, приводится в состоянии движения под действи-
ем электрического поля, образуемого постоянным током. Для техни-
ческого использования этого физического принципа в грунт по перимет-
ру котлована опускаются трубы-аноды (или стержни), а в качестве ка-
тодов используются иглофильтры.
Области применения способов водопонижения были рассмотрены
в разд. 7.1.2.
9 2. ГРАВИТАЦИОННЫЙ СПОСОБ ВОДОПОНИЖЕНИЯ
9.2.1. Оборудование скважин. Установки для понижения уровня грун-
товой воды — это система, в состав которой входят водоприемные
колодцы и водоотводящая система труб. Движение грунтовой воды
обеспечивается за счет работы насосов с различными типами приводов,
которые располагаются либо в водоприемных колодцах ниже уровня
грунтовой воды, либо выше, но до места присоединения подающих труб
к отводящей системе. В месте присоединения устанавливаются центро-
бежные, клапанные или мембранные насосы. Могут быть установлены
также вакуум-насосы.
Существует несколько типов водоприемных колодцев: плоские
колодцы; глубокие и неглубокие колодцы; иглофильтры; горизонталь-
но-фильтрующие колодцы.
Принципиальная разница между колодцами неглубокого и глубокого
заложения представлена на рис. 9.2. В противоположность колодцам
288
Рис. 9.1. Выемка грунта в котловане с применением водопонижения
неглубокого заложения каждый колодец глубокого заложения пред-
ставляет собой самостоятельную откачивающую установку.
Преимущества колодцев глубокого заложения по сравнению с колод-
цами неглубокого заложения следующие: значительно меньший объем
работ по выемке грунта; меньшая площадь для их размещения; мень-
шее число необходимых колодцев; большая надежность в работе, что
Рис. 9.2. Типы водопонизительных скважин
а - иглофильтровая установка; б - водопонизительная скважина с исполь-
зованием погружного насоса; 1 — вентиль у основания трубы; 2 — всасываю-
щая линия; 3 — задвижка; 4 — сборный коллектор; 5 — центробежный, насос;
6 - двигатель; 7 — напорная линия; 8 — восходящая линия; 9 — погружной
насос
19—7^0
289
Рис. 9.3. Расположение скважин при сооружении котлованов в
уровнем грунтовых вод [I53J
грунтах с высоким
связано с независимостью от состояния всей системы» как это имеет
место в колодцах неглубокого заложения; возможность постепенного
расширения системы без остановки работы уже подключенных колод-
цев; отсутствие трудностей с эксплуатацией насосов из-за разрежения
во всасывающих линиях насосов. Однако с учетом приводимых в разд.
9.5 трудностей» которые могут возникнуть при работе колодцев глубо-
кого заложения» возможно некоторое уполаживание образующейся деп-
рессионной воронки.
Решение вопроса о выборе типа водоприемного колодца (см. рис.
9.2) определяется геометрическими размерами котлована, величиной
ожидаемого притока грунтовой воды, наличием свободной площади для
их размещения и наличием того или иного типа оборудования.
В узких протяженных котлованах (траншеях) водоприемные колод-
цы располагаются в виде одно- или двухлинейных систем. В широких
котлованах водоприемные колодцы располагаются по кольцевой систе-
ме. В котлованах с водопроницаемыми стенками водоприемные колод-
цы могут быть расположены внутри него или за его пределами (рис. 9.3).
По данным проведенных исследований, опубликованных в работе
[153] * рекомендуется расположение водоприемных колодцев в преде-
лах котлована, которое имеет определенные гидравлические преимуще-
ства. Однако при проектировании системы водопонижения могут выя-
Рис. 9.4. Скважины совершенного и несовершенного типов при
сооружении в безнапорных условиях [153}
290
виться также случаи, когда расположение приемных колодцев за преде-
лами котлована может оказаться более предпочтительным.
Уровень грунтовой воды для котлованов, располагаемых в безнапор-
ных условиях, может быть понижен водопонизительными системами со-
вершенного и несовершенного типов (рис. 9.4).
Водоприемные колодцы устраиваются по всему периметру котлова-
на на расстоянии от 1 до 2 м друг от друга. Оптимальными условиями
для проведения работ по водопонижению являются такие, при которых
колодцы устраиваются не глубже, чем ограждающие кбтлован стенки,
заведенные в водопроницаемые грунты.
Для котлованов, расположенных в открытых водоемах и имеющих
сплошное ограждение, количество необходимой для обеспечения нужно-
го водопонижения откачиваемой воды будет более чем на 100% больше,
чем то количество, которое должно быть откачено при использовании
водоотлива. Так как общая стоимость водопонижения в основном оп-
ределяется эксплуатационными расходами, способ водоотлива должен
применяться во всех случаях, когда нет технологических и технических
причин, исключающих возможность его применения.
Приведенная на рис. 9.4 схема позволяет сделать вывод о том, что
при устройстве колодцев совершенного типа возможность выпора грун-
та в основании котлована исключается, что не исключено в случае приме-
нения колодцев несовершенного типа.
Колодцы неглубокого заложения выполняются в виде пробуривае-
мых в грунте скважин глубиной до 10 м. В пробуренную скважину или
обсадную трубу затем опускаются металлические, бетонные, керами-
ческие или пластмассовые трубчатые фильтры, обернутые ткаными ма-
териалами. Устанавливаемые фильтры должны доходить до максималь-
но возможной отметки воды и опускаться на слой подсыпки толщиной
не менее 300 мм для равномерной передачи нагрузки на перфорирован-
ное основание и вертикальные стенки. В мелкозернистых грунтах вокруг
опущенной трубы с установленным фильтром необходимо создать за-
щитный слой из более крупного гравия или щебня. На высоте чуть бо-
лее 500 мм выше максимального уровня грунтовых вод вместо гравия
или щебня.может быть установлена специальная заглушка.
Опущенная в обсадную трубу фильтровая колонна должна оборудо-
ваться вентилем или обратным клапаном на нижнем конце. Всасываю-
щие линии отдельных колодцев подключаются к сборному коллекто-
ру всей системы.
Колодцы неглубокого заложения обычно оборудуются низконапор-
ными центробежными насосами. Если к насосу подключено несколько
отдельных колодцев, то производительность установки определит общий
поступающий расход воды.
Понижение уровня грунтовых вод при применении колодцев не-
глубокого заложения из-за ограничений по допустимой высоте всасы-
вания насосов незначительно. В первом приближении при одностороннем
и двустороннем расположении колодцев могут быть приняты значения,
приведенные на рис. 9.5. При более значительных величинах необходимо-
го водопонижения (рис. 9.6) применяется многоярусное водопониже-
ние. Каждый ярус при этом оборудуется своей всасывающей линией и
насосом.
Многоярусное водопонижение в настоящее время применяется срав-
нительно редко, так как его осуществление требует выполнения срав-
291
Рис. 9.5. Одноярусное расположение скважин неглубоко-
го заложения
а — одностороннее расположение скважин; б — де у-
стороннее расположение скважин; I — уровень грун-
товой воды; 2 — пониженный уровень грунтовой воды;
3 — пробуренные скважины; 4 — сборные коллекторы
Рис. 9,6. Двухъярусное водопонижение i
1 — уровень грунтовой воды; 2 - понижение уровня ,
грунтовой воды первым ярусом установок; 3 — пони- |
жение уровня грунтовой воды вторым ярусом устано- j
вок; 4 — скважины; 5 — всасывающая труба; 6 — сбор-
ный коллектор; 7 - центробежный насос; 8 - двига- i
телъ; 9 - напорная линия
292
нительно большого объема дополнительных земляных работ по созда-
нию на откосах берм для расположения насосов, выполнения значитель-
ного объема дополнительных буровых работ и сооружения разветвлен-
ной системы труб, требующих полной воздухонепроницаемости для обес-
печения надежной работы насосных установок. Кроме того, возникают
дополнительные трудности при производстве строительных работ на
узких бермах. При определении числа колодцев необходимо также учи-
тывать, что приток грунтовой воды по мере увеличения глубины будет
увеличиваться. При этом приток воды в колодцы верхних ярусов в про-
цессе водопонижения будет постепенно уменьшаться, а после его прек-
ращения — опять увеличиваться.
В зависимости от геологических условий для опускания обсадных
труб или бурения скважин применяются различные способы производ-
ства работ и механизмы. Так, например, при сооружении колодца в пес-
чаных рыхлых грунтах, насыщенных грунтовыми водами, применяется
шнековое бурение; в гравийных грунтах применяются специальные
насосные установки по его удалению; при сооружении скважин в илис-
тых грунтах применяются специальные устройства для удаления илисто-
го грунта; в случаях проходки связных грунтов применяются шнеко-
вые или фрезерные установки, в прочных полускальных и скальных
грунтах могут применяться установки ударно-канатного бурения; в
несвязных рыхлых грунтах и при необходимости осуществления буре-
ния на большую глубину применяются буровые установки, использую-
щие дополнительную пригрузку и давление.
Колодцы глубокого заложения выполняются в виде пробуривае-
мых скважин, которые оборудуются аналогично колодцам неглубокого
заложения, однако требуют применения погружных насосов. Погруж-
ной насос при этом опускается в скважину ниже уровня воды. Это при-
водит к тому, что вода этими насосами не подсасывается, а только
нагнетается в напорные линии.
Скважины глубокого заложения, осуществляемые по схеме, показан-
ной на рис. 9.7, применяются при структурно несложных, несвязных
грунтах, например, в песках или гравелистых грунтах с коэффициентом
фильтрации от 10 2 до 10—3 м/с и при необходимости понижения уров-
ня грунтовых вод до 5,0 м.
В других, случаях применяются скважины с гравийной обсыпкой
(см. ри<л9.6,в). Эта конструкция"диаметром до 1 м применяется при
глубинах до 30 м. Пространство между обсадной трубой и внутренней
трубой с фильтром заполняется гравием, после чего обсадная труба
может извлекаться. Колодцы такого типа применяются вблизи сооруже-
ний, не допускающих деформаций грунта, при длительной эксплуата-
ции, а также в случаях, когда фильтровая колонна не будет впоследствии
извлекаться.
Погружные насосы представляют собой одно- или многоступенчатые
центробежные насосы, которые приводятся во вращение короткозамк-
нутым двигателем переменного тока, работающим в условиях полной
изоляции от водной среды. В новых конструкциях погружных насосов
двигатель непосредственно промывается водой и тем самым обеспечи-
вается его охлаждение. В этих насосах изоляции от водной среды тре-
буют лишь токоведущие части. Эти типы насосов создают избыточный
напор, т.е, могут поднимать воду на более высокие отметки, но не могут
ее подсасывать с более низких отметок. Они имеют небольшие размеры,
293
Рис. 9.7. Скважины глубокого заложения
а — скважины без обсыпки; б — скважины глубокого заложения с гравий-
ной обсыпкой; 1 — главный магистральный трубопровод; 2 — задвижка; 3 —
заглушка; 4 - фундамент трубопровода; 5 - край скважины; 6 - заполне-
ние пространства между стенками скважины и трубой; 7 — труба со сплош-
ной стенкой; 8 — труба с фильтром из ткани; 9 — засыпка фильтрующим
гравием; 10 - направляющая восходящей трубы; 11 - погружной насос с
двигателем; 12 — зумпф; 13 заглушка на дне зумпфа
что позволяет устанавливать их в скважинах небольшого диаметра. Как
правило, уровень воды в колодце должен быть не менее чем на 500 мм
выше насоса.
Скважины могут выполняться разными способами. В них могут
опускаться также бетонные трубчатые элементы. На рис. 9.S показано,
как в пробуренную скважину опускается бетонная труба-фильтр. На
рис. 9.9 изображена бетонная труба с фильтром, оборудованная Т-образ-
ной резиновой муфтой. На рис. 9.10 показан внешний вид водопонизи-
тельной скважины с опущенным насосным агрегатом. На рисунке также
видна труба, с помощью которой осуществляется сбор дождевых осадков.
Трубопроводы, применяемые при различных способах водопониже-
ния, разделяются на всасывающие, напорные и магистральные.
Всасывающие трубопроводы для скважин мелкого заложения пред-
ставляют собой соединительные линии между иглофильтрами, сборными
колодцами и насосными установками. Отдельные водопонизительные
колодцы присоединяются к магистральным трубопроводам через про-
межуточную задвижку. Всасывающие линии насосов должны быть аб-
солютно воздухонепроницаемы для того, чтобы обеспечить необходи-
мый для подсасывания воды вакуум. При перекладке всасывающих
294
Рис. 9.8. Монтаж бетонной трубы-
фильтра в скважине. установкой
Беното
Рис. 9.9. Бетонная труба-фильтр
с резиновой Т-образной соедини-
тельной муфтой
Рис. 9.10. Скважины глубокого заложения
а - труба скважины, заглушка, задвижка, шланг для присоединения, флан-
цевая труба напорного трубопровода, электрический кабель; б — труба сква-
жины с встроенным дренажным подключением (на рисунке снизу}
линий трубопроводов должно быть обращено особое внимание на тща-
тельность соединения всех фланцев между собой. Всасывающие линии
должны иметь подъем в сторону к всасывающему патрубку насоса от
9,5 до 1%. Это требование вызвано необходимостью исключения возмож-
295
Рис. 9.11. Напорная линия скважин глубокого заложения
а — присоединение скважин глубокого заложения; б - водомерные уст-
ройства
нести образования во всасывающей линии воздушных мешков. Скорость
воды во всасывающих линиях по мере увеличения его диаметра увели-
чивается от 1,0 до 2,0 м/с.
Напорные линии при применении насосов глубинного водопониже-
ния соединяются с магистральными трубопроводами. На рис. 9.11 пока-
зана напорная линия водопонизительных скважин, проложенная по краю
устраиваемой дренажной стенки, при этом на рис. 9.11,й показаны уз-
лы присоединения, а на рис. 9.11Д — схема подключения водомерных
устройств.
Магистральный трубопровод или главный водоотводящий коллек-
тор отводят собираемую насосными установками воду в отводящую
систему. В качестве трубопроводов используются трубы с фланцевыми
соединениями или специально быстросоединяемые секции. Фланце-
вые тоубы изготовляются и применяются в трубопроводах при диамет-
рах от 100 до 500 мм. Быстросоединяемые конструкции трубопроводов
диаметром 100 и 125 мм обычно применяются в тех случаях, когда не-
обходима частая их перекладка. Быстросоединяемые типы труб приме-
няются исключительно в качестве напорных трубопроводов.
В напорных трубопроводах принимается значение скорости воды в
пределах от 1,5 до 2,0 м/с. При необходимости прокладки длинных
296
участков напорных трубопроводов на расстоянии от 200 до 300 мм уст-
раиваются воздуховыпускные клапаны, которые располагаются в самых
высоких точках и возвышаются на 2—3 м над трассой трубопровода
(подобие аэрационных стояков). В местах возможного движения транс-
порта трубопроводы должны заглубляться ниже отметки земли или в
крайнем случае закрываться специальной защитной оболочкой, которой
обычно является отрезок трубы большего диаметра.
9.2.2. Расчет притока грунтовой воды в одиночную скважину. Приток
грунтовой воды при водопонижении рассчитывается по закону Дарси о
скорости движения грунтовых вод в пористых грунтах (рис. 7.33). В
соответствии с этим законом скорость воды составляет
г = ki ~ —к (ДА / Д/).
Закон Дарси может быть использован в случае ламинарного движения,
что соответствует небольшим значениям гидравлического градиента.
Это уравнение может быть использовано только тогда, когда грунтовая
вода притекает к колодцу с небольшой скоростью. Вблизи колодца
этот закон или полностью не соблюдается, или соблюдается лишь частич-
но. Однако эта область по отношению ко всей зоне влияния водопони-
жения невелика, поэтому основанные на его использовании положения,
которые будут приведены ниже, могут применяться в расчетах с доста-
точной для практических целей точностью.
Скважины-колодцы совершенного типа, расположенные в безнапор-
ном водоносном слое. Приток грунтовой воды к рассматриваемому
типу скважины-колодца основывается на использовании сделанных
Депюи [30] и Тиеманом [137] расчетах. В этих расчетах исходили из сле-
дующих предпосылок;
распространение депрессионной кривой по горизонтальному направ-
лению является неограниченным;
водопроницаемый спой грунта является однородным, имеет постоян-
ную толщину и располагается горизонтально;
скважина-колодец достигает водоупорного слоя;
течение грунтовой воды является стационарным и скорость вдоль
всего фильтрационного фронта является постоянной;
уровень грунтовых вод является постоянным;
фильтрующая поверхность скважины-колодца распространяется на
всю высоту водопроницаемого слоя грунта.
При расчете притока грунтовой воды учитывается объем, который
притекает по поверхности понижающегося цилиндра (цилиндра с пони-
жающейся верхней поверхностью), радиусом х и высотойz (рис. 9.12д).
Для этих условий можно записать следующее:
dz
А - 2itxz; у -к—,—; q = Av,
dx
Таким образом
q = 2nxzk~ или q = ~ = 2irkzdz.
ах х
Проинтегрировав и подставив граничные значения учитываемого
объема по закону Депюи получим
297
Рис. 9,12. Понижение уровня грунтовой воды при сооружении водопонизительной
скважины совершенного типа
с — скважина в безнапорном потоке; б — скважина в напорном потоке; 7 —
отметка поверхности земли; 2 - уровень грунтовых вод; 3 - пониженный уровень
грунтовых вод; 4 — водонепроницаемый слой грунта; 5 — депрессионнвя кривая
яА(Я2-Л£) _ я*(Я2-Л2) _ 1,36А:(Я2-Л2)
InR-liir 1nR/r~ ТлЯ/г
(9.1)
Это выражение получило название ’’формула колодца''. При выводе
формулы Депюи — Тиемана было принято» что течение грунтовой воды
является стационарным и что значение скорости потока во всех точках
поверхности депрессионной кривой на цилиндре с радиусом л и при вы-
соте z является также постоянным. Доказательством этого служит рас-
смотрение линий равных значений скорости и равных значений потенциа-
лов. Однако скорость притекания в колодец грунтовой воды не постоян-
на по его высоте. Это является следствием того, что линии равного по-
тенциала пересекают линии тока под прямым углом, а линии тока вмес-
те с депрессионной кривой должны образовывать удовлетворительную
сетку линий равных потенциалов. Такая сетка линий равных скоростей
и потенциалов для рассматриваемого случая изображена на рис. 9.13.
Однако в практических условиях постоянный приток грунтовой
воды к скважине-колодцу невозможен, так как по мере распростране-
ния депрессионной кривой напор падает и тем самым снижается величи-
на притекающего к скважине-колодцу притока воды.
С учетом разницы в положении кривой депрессии в месте ее выхода
к колодцу и положением уровня воды в самом колодце hs можно при-
вести более точное выражение для определения расхода
_ 7Tk(H2 -h2) ~ 7гЛ[Я2 - (Z^+ЛД
$ ]nR/r 1п/?/т
Босолд [13], основываясь на опытных данных, считает, что из-за
наличия этой разницы уровней отметка поступления воды в скважину-
колодец должна быть несколько понижена.
Если учесть положение кривой депрессии в диапазоне от г до R и до
значения Н, то соотношение между х и z можно записать как
298
Рис. 9.13. Линии тока и равных потенциа-
лов вблизи колодцев
I - уровень грунтовых вод; 2 — пони-
женный уровень грунтовых вод; 3 - де-
прессионная кривая
2 ~ h° = ~7к (Ы “ tor) ’
(9.2)
Уравнение (9.2) позволяет все же получить близкое положение кри-
вой депрессии даже при наличии разницы в отметках выхода уровня
грунтовой воды на стенке колодца-скважины и положения уровня
воды в нем (см. рис. 9.12,я).
Различия в положениях уровня водной поверхности были приближен*
ным способом проверены на моделях. Босолд в работе [13] приводит
результаты исследований, выполненных Оллосом, при которых была оп-
ределена разница в отметках уровня выхода грунтовых вод на стенке
скважины-колодца и уровня воды в нем, которая приближенно может
быть определена по следующей зависимости:
S- = й = О,228^ЛЙ" .
is1 г Н
При этом наблюдается хорошее совпадение в диапазоне 0,735 Н/г <
< 30. Однако в этом выражении не учитывается специфическое сопротив-
ление грунта при движении фильтрационного потока. Для учета этой ве-
личины имеются специальные данные, приведенные в работе [ 147].
Депрессионная кривая по Дешои и депрессионная кривая совпадают
тем скорее, чем меньше разница в отметке ее выхода на стенку сква-
жины-колодца и уровнем воды в нем. Опыты показывают, что практи-
чески совпадение возможно в диапазоне х - = 4S) + г.
Для х > (4S- + г) поверхность уровня грунтовой воды в скважинах-
колодцах и круговых котлованах может описываться одним уравнени-
ем (9.2). Положение депрессионной кривой поверхности грунтовой
воды может описываться по значениям $< х- и уравнению (9.2), а может
быть представлено в графической форме.
Босолд указывает, что в противоположность уравнению (9.2), кото-
рое часто приводится в литературных источниках,
z2 — h2 = —- (1дх - In г )
як
299
фактически имеет место другое положение депрессионной поверхности,
с действительным лишь в тех случаях, когда
поступающей воды. Отсюда получается сле-
Ее положение совпадает
учитывается количество
дующая зависимость:
9 ,9 а /Г -
* ’ - ---т-г Ш— .
ък Н - h* г
Максимальное понижение депрессионной поверхности грунтовой
воды s в точке около скважины-колодца может быть получено из при-
веденных выше уравнений
s=M- h=H- (Ло +Л5) -Н—у/н2 - 5.-(1пК -1п7) -hs. (9.3а)
При h = 0 имеет место
s = н - Ун1 -^(InR-hw). (9.36)
Неточности, получаемые при использовании предположений Депюи, в
практических условиях становятся заметными лишь при hjH < 0,4.
По данным Ковач, снижение разницы между расчетными и фактическими
данными наступает, как об этом пишет Сцеши [132], когда вводится
поправочный коэффициент.
Это означает, что по (9.1)
Величины а и /3 определяются по следующим соотношениям:
1 > hJH> 0,4; а = 1; 0 = 1; = 1 + hjH-,
\ 0,4>Ло/Я>0,1; а = О,87; 0 = 1,3; ^ = 0,87+1,3*^17;
0,1 > hJH> 0; о = 0; 0 = 10; = 10йо/Н.
Значение радиуса R в соответствии с приведенными в разд. 8.8.1
положениями и (8.21) при притоке воды к колодцу обычно определяет-
ся по эмпирической формуле Сихарда
R = 3000s у/к. (9.4)
Однако эта формула рекомендуется лишь для приближенного расчета
величины откачиваемого расхода.
Скважины-колодцы несовершенного типа, расположенные в безна-
порном водоносном слое. Если в этом случае приток грунтовой воды
рассчитывается как для скважины-колодца совершенного типа, то по-
лучаемый приток грунтовой воды будет занижен, так как в скважину-
колодец поступает дополнительный приток воды. Если все же использу-
ются формулы для скважийы-колодца совершенного типа, что в прак-
тических условиях случается довольно часто, то получаемый при этом
расчете приток, в зависимости от глубины расположения водоупорного
слоя, должен быть увеличен на 10—30%.
300
Рис. 9.14. Скважина несовершенного типа
/2^^//////////,
Приток воды в скважину-колодец несовершенного типа (рис. 9.14)
по данным работы [132] определяется по зависимости
q =±LH1^L
Чи TnR/r
+ irkat
2LA
InR/r
Если в это уравнение подставить значение к/к = а, то получим
_^я-_ад
. kiR/r
(9.5)
где kQ — коэффициент фильтрации подстилающего слоя грунта.
Подробные исследования Скважины-колодца несовершенного типа
были проведены Шротером [122] £
Скважины-колодцы совершенного типа, расположенные в напорном
водоносном слое. Если определяется количество воды, поступающей
в колодец через поверхность цилиндра с радиусом х и при высоте М,
то принимаются следующие исходные положения (см. рис. 9 Л 2,6) :
А =2пхМ; v = к——* а =Лт.
dr
С учетом этого получим
q - 2ттхМк~ или q —= 2nkdze
dr х
Проинтегрировав и подставив граничные условия для рассматрива-
емого объема, получим
= 2nMk(tf~z) = 2ттМк(Я-г)
Q InA lnx 1п(/?/х)
или
= _ = 21гЖ(Я-Л) f9 6)
Я -lur kiR/r * 1 J
Депрессионная поверхность грунтовых вод при этом будет описываться
уравнением
301
Рис, 9Л5, Приток грунтовой воды и воз-
можности приема воды скважиной
1 - способность приема воды по
Сихарду gf = 2rtlh$\f к/15; 2 - ,приток
грунтовой воды по Депюи qTtkH - /
//ft R/r; 3 — депрессионная кривая; 4 —
фактическая депрессионная кривая
г - й — (1лх - Inz ).
2тоиК
Величина понижения на поверхности скважины колодца составит
5=Я-й=——bi--.
2яМА' г
(9.7)
(9.8)
Расчет дебета скважины-колодца, Сихард определяет водопринима-
ющую способность скважины-колодца как количество грунтовой воды,
которое он может собрать за определенный отрезок времени при мини-
мальном перепаде уровней. По исследованиям Сихарда,между перепа-
дом уровней г и коэффициентом фильтрации к существует следующая
гиперболическая зависимость:
15/0
ИЛИ Г = - -V .
0 15>Д
Таким образом водопринимающая способность скважины-колодца
<?у определяется с учетом площади притока и максимальной скорости
притока vmax = как
= ^0V^/15. (9.9)
Дебет скважины-колодца определяется только при таком положении
грунтовой воды в нем, который определяет точку пересечения линии
расхода с линией расхода, определяемого по формуле (рис. 9.15).
Проблематичным в теории Сихарда является то, что значение скорос-
ти потока грунтовой воды принимается постоянным по всей площади
притока.
Исследования Оллоса [93], а также результаты других проведенных
исследований показывают, что оптимальное понижение уровня грунто-
вой воды в пределах депрессионной кривой наступает, когда уровень
грунтовой воды за пределами скважины-колодца находится на половине
его высоты, а уровень воды внутри него для случая скважины-колодца
совершенного типа находится на уровне водонепроницаемого слоя
грунта.
По Босолду [13], в нормальных условиях не следует понижать уро-
вень воды в скважине-колодце более чем на /?0 = 0,4//. Дальнейшее по-
302
нижение уровня воды в нем возможно, если при этом не будет превы-
шен предел, при котором могут работать насосные установки. Однако
в этом случае эффект откачки будет меньше.
Продолжительность водопонижения. Процесс водопонижения может
быть разделен на две фазы — активную и пассивную. В течение первой
фазы уровень воды в скважине-колодце изменяется значительно, после
чего устанавливается постоянный приток воды. В течение второй фазы
происходит постепенное понижение депрессионной кривой. Эта фаза
характеризуется постоянным положением уровня воды в скважине-
колодце.
Учет этих двух фаз при больших объемах водопонижения не имеет
большого значениядак как величина притекающего к скважине-колод-
цу количества воды и вследствие этого необходимая развиваемая мощ-
ность насосов в течение второй фазы будут меньше, чем в течение первой
фазы. В дальнейшем в процессе водопонижения в грунтах средней водо-
проницаемости интерес представляет время, необходимое для понижения
уровня грунтовой воды.
Продолжительность активного водопонижения по работе [ИС] мо-
жет быть определена по зависимостям:
для протяженных котлованов при рядовом расположении скважин-
колодцев
к ^H-St ~Н^'9 (9Л°}
для прямоугольных (или приведенных к прямоугольным) котлова-
нов со значением радиуса г
&
t = _rL£^_(_____________)
g к VH-St Н
(9-11)
где t — продолжительность водопонижения, необходимая для достижения проект-
ного^ сложения кривой депрессии; Д — число водоотдачи д = ; b — половина
расстояния между двумя смежными колодцами; Н - толщина водопроводящего
слоя грунта; Sy — понижение уровня грунтовой воды в точке центра котлована.
Число водоотдачи д определяется из соотношения значения количест-
ва удаляемой из грунта воды 1'^ и количества притекающей в грунт
грунтовой воды V. Расчеты водоотдачи приводятся в работе [ПО].
В работе [106] приводятся рекомендации, по которым параметры водо-
подачи насосов должны основываться на гидрогеологических уравнени-
ях для условий стационарного состояния грунтового потока. При этом
может быть произведен расчет водопонижения с учетом атмосферных
осадков.
9.2.3. Расчет водопритока в систему скважин-колодцев. Теоретичес-
кие положения. Понижение уровня грунтовой воды системой скважин-
колодцев, которые оказывают друг на друга взаимное влияние, можно
определить путем наложения отдельных депрессионных кривых. Для
отдельных скважин-колодцев числом от 1 до п без учета их взаимодей-
ствия, можно записать следующее выражение:
303
4 -А. =-дг(Ш1 -’“'’J
Z2“A2=1SJ_(1,UJ~W2)
I
1
— A 2 ~ ——— flux — Inr )
n n nJc VU n U n}'
Если все скважины-колодцы находятся в работе одновременно, тог-
да отдельные депрессионные кривые позволяют определить методом су-
перпозиции положение суммарной водной поверхности по приводимому
ниже выражению:
г’-Ао=-^-(Ы1 -wp+^-cbx, -Ч)+-- +-йг<Ьхи -
Предположив, что все п скважин-колодцев имеют одинаковый диа-
метр г = г2 - . . * = г и что через каждую откачивается одинаковое коли-
чество водыq^ -q2 - • • =q, можем записать, что
-’2 -A?=^-rvln(V,(xA'-'x«) “kN-
Если учесть, что nq = Q, то
z2 ’ А« = mt- [“и’Хп> ~ W1 ’
(9.12)
где Q — суммарный водоприток; — средний уровень воды в скважине-колодце,
который образуется при откачке Q из одной скважины-колодца радиусом^
х расстояние отдельных колодцев от вертикальной оси, проходящей через
точку, в которой производится определение положения уровня воды (рис. 9.16").
Для определения уровня водопонижения при одновременной работе
нескольких скважин-колодцев используется уравнение Форхаимера:
=^ВпД-^“Ь1(ХЛ
(9.13)
В этом случае скважины-колодцы совершенного типа имеют одина-
ковую длину и поперечное сечение и из них откачивается одинаковое
количество воды. При этом водоприток определяется по уравнению
тгк(Н2 - z2)
1дй_ -J-ln^x,...^)
(9.14)
Если все отдельные скважины-колодцы располагаются по окружности
К J
с радиусом г = ух х ... х , то уравнение для определения положения по-
t J Jfa > 4-
верхности грунтовой воды запишется в следующем виде:
304
Рис, 9,16. Расчетная схема системы
скважин
нг- -г2=-^-(1пЯ-1пге)
или
Q-___
W,
(9.15)
(H’-z2).
Величина z соответствует высоте пониженного уровня воды в центре
круга» радиус которого равен Это уравнение может также быть ис-
пользовано для случая прямоугольного котлована, если приведенный
радиус г определяется в соответствии с разд. 8.8,4 по (8.37).
По (9.14) при известном значении радиуса влияния можно опреде-
лить положение депрессионной кривой в любой точке. Кроме того,
если известно высотное положение уровня грунтовой воды в какой-
либо произвольной точке, возможно определение положения уровня
воды в другой произвольной точке. Для этого из (9.13) определяют раз-
ницу в отметках для точек 1 и 2, что приводит к следующей записи
уравнения:
z2 - z2 - [—In (х' х'...х') —— ) —— 1ц (х'*х". хД , (9.16)
1 2 Trfc и fl 7 /;1 2 Н-1’ у 7
где Zp Положение уровня грунтовой воды в точках 2 и 2; х', х'... х^ — рас-
стояние от единичной скважины-колодца до точки 2 с ординатой понижения уровня
воды ; х”, х”,... ,.х" — расстояние от единичной скважины-колодца до точки 2 с
ординатой пониженного уровня грунтовой воды z .
Это уравнение может быть также использовано для определения ко-
эффициента фильтрации к, если отметки положения уровня грунтовой
воды в точкахи z? могут быть измерены (см. табл. 7.4).
Расчет водопритока для прямоугольных котлованов. Для общих
расчетов водопонижения можно принять следующие исходные предпо-
сылки:
расстояние между скважинами-колодцами определяется в зависимос-
ти от их типов: при неглубоких скважинах-колодцах - от 4 до 7 м, при
глубоких - от 6 до 40 м. Причем это расстояние должно удовлетворять
условию b > 5с/л = Юпт с тем,чтобы водопоглощающая способность
каждого отдельного колодца была использована полностью;
пониженный уровень грунтовой воды должен быть по крайней мере
на 0,5 м ниже дна котлована;
20- 7-5!)
305
длина фильтра й определяется в зависимости от глубины скважины-
колодца и значения водопроницаемости (для мелких скважин-колодцев
при откачке центробежными насосами h = 3...6 м, для глубоких скважин-
колодцев с применением глубинных погружных насосов не более 4 м);
поперечное сечение скважиньиколодца определяется в зависимости
от типа применяемого для откачки насоса, типа фильтра, материала
фильтрационной обсыпки, диаметра пробуренной скважины и величины
водопритока;
при неглубоких скважинах-колодцах всасывающий клапан должен
располагаться на глубине не менее 1,5 м от пониженного уровня грунто-
вой воды и не менее 1,0 м выше отметки дна скважины-колодца;
положение уровня воды в скважине-колодце поддерживается более
высоким, если положение депрессионной кривой в зависимости от ко-
эффициента фильтрации к имеет уклон от 1:20 до 1; 10.
Пример. Для изображенного на рис. 9.17 котлована необходимо рассчитать
систему глубоких скважин-колодцев для обеспечения необходимого водопониже-
ния. Коэффициент фильтрации к -10“3 м/с, диаметр колодца d = 700 мм.
Решение. 1. Используемые при расчете величины и их значения.
Необходимая глубина водопонижения определяется по разнице высот между
естественным положением грунтовой воды и основанием котлована, к которой
должна быть прибавлена минимально необходимая высота дополнительного пони-
жения уровня воды под основанием котлована:
$ = 80,20-76.10+0,50 =4,60 м;
z =Н - s = 10,00-4,60 = 5,40 м.
Значение 7? по уравнению (9.4) :
tf=3000s\£~= 3000-4,60^,001 =436 м.
3. Значение приведенного радиуса, определяемого по (8.37) :
L В
тт
7Т
/ 16-11
* Я™
= 7,48 м.
4. Значение водопритока, которое определяется по (9.15) :
71-0,001
In (436/7,4 8)
(Ю1 - 5,402) =0,055 м3/с.
5. Водопоглощающая способность скважины-колодца определяется по (9.9),
при этом затопленная длина фильтра принимается равной = 3,0 м
=2гтгй0^~- = 2-0,3571-3,С^Д001/15 =0,014 м3/с.
6. Необходимое количество скважин-колодцев
^rf^Qhf - 0,055/0,014 = 3,93.
Принимаем 4 скважины-колодца.
Водопоглощающая способность скважины-колодца будет обеспечена лишь в
том случае, если расстояние между ними будет составлять b Югл = 10-0,3577 =
= 11,0 м. На приведенной (рис. 9.17) схеме это расстояние обеспечено.
7. Понижение уровня грунтовой воды в центре котлована определяется по
(9.13) и составляет:
1, 2 =*2 - 4г - 4 ,п(х1х2 - V];
306
Рис. 9.17. Схема расположения скважин
йЛ — 10,22 - -5^, (1п436 -4-1п7,784);
7Г-10 л 4
- 5,43 м.
В этом уравнении 1/41п 7,784 = 2,051. Если это значение сравнить со значением
lnze = 1п7,48 = 2,012, то можно констатировать хорошее совпадение результатов.
При = 5,43 м высота пониженного уровня грунтовой воды составит 70,20+
+5,43 =75,63 м, и тем самым Ай = 76,10-75,63 =0,47 м ^0,50 м,
8. Определение положения уровня воды в скважине-колодце:
Р = 10,02------fln436 - --In (0,35-11,0-15,56-11,0) 1; й = 4,69 м.
в д-Ю л 4 н
Тем самым принятая в п. 5 необходимая длина фильтра, равная 3,0 м, доста-
точна,
9. Потребная мощность для обеспечения водопонижения.
Необходимая манометрическая высота определяется но (8.17), при Л =82,60+
+0,50-70,20-4,69 = 8,21 м и v = 2,0 м/с, тогда = 2,02/2g -0,20 м и^при поте-
рях напора й = 5,0 м составляет й = 8,21 м + 0,20 м + 5,00 м = 13,41 м.
Потребная электрическая мощность при = 0,85, TQp = 0,80 и p^g - 1 т/м"3х
х9,81 м/с2=9,81 кН/м3 для всей установки по (8.20) составит:
jv __ 0,055'13,41-9,81 _1Л, u , _1ЛГ D
—отадо" 10>6 кН’м/с -1о’6 ***•
10. Определение диаметра напорной линии при v = 2,0 м/с
A ~O/v =0,055/4-2,0 =0,00687 м2 -+</ = 100 мм.
11, Определение диаметра главной магистрали
А = 0,055/2,0 = 0,0275 м2 = 200 мм.
Для приблизительного определения значения водопритока по (9.15)
может быть использована приведенная на рис. 9.18 номограмма. При
построении этой номограммы принимались средние значения Ни В.
Эта номограмма представляет особый интерес в тех случаях, когда
предварительно не были проведены специальные исследования харак-
307
Рис. 9.18. Номограмма для определения притока грунтовой воды при водо-
понижении [100J
теристик грунта и положение водонепроницаемого слоя грунта точно
неизвестно.
В этих номограммах приняты следующие обозначения: А — площадь
водопонижения; те - приведенный радиус по (837).
Расчет водопритока для линейно-протяженных котлованов. Общее
количество воды, которое может быть отобрано системой из скважин-
колодцев, расположенных вдоль протяженного котлована, при условии
водопонижения глубокими скважинами-колодцами совершенного типа
может быть рассчитано, по определенным Теплее [134] значениям (У,
которые приведены ниже:
п 1 2 3 4 9 «
6 1,39 1,16 1,11 1,08 1,03 1,00
Для протяженных котлованов, которые располагаются в водопро-
ницаемом слое грунта, насыщенном находящейся в неподвижном сос-
тоянии грунтовой водой, для образующейся депрессионной воронки
можно принять эллиптическое очертание. Тогда притекающий к кот-
ловану удельный расход на единицу его длины будет распределен по
периметру неравномерно. Для этого притока может быть использована
зависимость:
Ч(х) =-----, (9.17)
я£ч/1-(-^-)2
j£j
где п — количество скважин-колодцев; Q — водоприток в одну скважину-коло-
дец; L — длина котлована по низу; х — расстояние рассматриваемой точки на про-
дольной оси основания котлована, отсчитываемой от точки пересечения продоль-
ной и поперечных осей.
308
Рис. 9Л9. Оптимальное положение скважин в протяженных
котлованах
с — продольный разрез котлована с тремя скважинами;
б - горизонтальный разрез при эллиптической форме кон-
тура водопонижения
Это уравнение позволяет определить увеличение водопритока по
отношению к краям котлована. Для получения равномерного водопо-
нижения по всей длине котлована, скважины-колодцы должны распола-
гаться чаще по мере приближения к его краям (рис. 9.19).
Теплее [134] определил расстояние а- между двумя/и 0'^1) скважи-
нами-колодцами по зависимости
_L=sin____^sln(__) (9.18)
для следующих условий:
горизонтальное положение водопроницаемого слоя грунта;
эллиптический контур образующейся воронки водопонижения;
совершенный тип скважины-колодца постоянного сечения;
одинаковый водозабор из всех колодцев;
узкий котлован.
Расстояние a t от н-й скважины-колодца до лобовой стенки котлована
определится по зависимости
а ч
-j1- = sin2 (тг/4и). (9.19)
Если расстояние от точки II наименьшей отметки водопонижения
(см. рис. 9.19) до края котлована будет обозначено как Ъ, то можем
получить следующее соотношение:
309
-%- = sinsin(—(9.20)
L 2n 2n
Из (9.18)-(9.20) получим для различного количества скважин-ко-
лодцев;
двух — а г = 0,146L ; = 0,7077,
b = 0,5007
трех— = 0,0677; ~аз = 0,4337
h = 0,2507. ..
четырех — я = 0,0387; а = а - 0,2717; а = 0,3837
^=0,1467...
93. ВАКУУМНЫЙ СПОСОБ ВОДОПОНИЖЕНИЯ
Удаление грунтовой воды вакуумированием применяется в мелко-
зернистых песках в тех случаях, когда по техническим и технологичес-
ким причинам гравитационный способ не может обеспечить необходи-
мого уровня водопонижения.
При вакуумном способе водопонижение обеспечивается созданием
дополнительного пониженного давления в плоских, мелких и глубоких
колодцах, причем предпочтение обычно отдается мелким колодцам
или скважинам. В качестве мелких скважин используются иглофильт-
ры. Однако иглофильтры могут использоваться не только при вакууми-
ровании, но и при применении обычного гравитационного способа водо-
понижения. Их использование в качестве вакуумных скважин-колодцев
возможно только тогда, когда фильтрующая поверхность грунта в сква-
жине-колодце изолирована от атмосферного давления, с тем чтобы обес-
печить понижение давления для нижних слоев скважины.
9.3.1. Область применения и эффективность. Из рис. 7.2 видно, что
метод вакуумирования в средних и крупных илистых и мелкозернистых
песках применяется с большой эффективностью. Оптимальная область
применения соответствует условиям, когда значение коэффициента
фильтрации лежит в пределах от 10“s до 10—7 м/с. При значениях ко-
эффициента фильтрации к от 10—4 до 10—5 м/с с одинаковой эффектив-
ностью могут использоваться оба способа — как гравитационный, так и
вакуумный.
Метод вакуумного понижения особенно эффективен в грунтах, кото-
рые расположены к образованию плывунов (см. разд. 2.2.3). Метод
вакуумирования предназначен для применения в мелкозернистых грун-
тах, так как эти грунты содержат капиллярно связанную воду в боль-
шом количестве.
Потоки грунтовой воды при гравитационных способах водопониже-
ния вызываются лишь образующимися гидравлическими градиентами,
тогда как при методе вакуумирования их движение определяется пе-
репадом атмосферного давления на уровне грунтовой воды и понижен-
ного давления в вакуум-колодце или скважине, что усиливает действие
на капиллярно связанную в грунте воду. В связи с этим форма депрес-
сионной кривой при .методе вакуумирования будет более пологой, чем
при гравитационных способах (рис. 9.20). Между двумя рядами сква-
жин-колодцев может образоваться почти ровная поверхность грунтовой
воды. Образующаяся вокруг колодца зона пониженного давления явля-
310
Рис. 9.20. Принцип вакуумного водопо-
нижения
1 — понижение уровня грунтовой воды
под действием сил гравитации; 2 — пони-
жение уровня при вакуумном водопони-
жении; m - всасывающее дей-
ствие вакуума
Рис. 9.21. Иглофильтры вакуумной уста-
новки внутри котлована со шпунтовыми
стенками
ется весьма ограниченной по своему распространению. Влияние распро-
страняется лишь не более чем на 1,5— 2,0 м, в связи с чем скважины-
колодцы должны располагаться на расстоянии от 1,0 до 1,5 м (рис. 9.21).
При длительном действии вакуумной системы понижения уровня
грунтовых вод в грунте устанавливается картина, изображенная на
рис. 9.22. Из этого рисунка видно, что депрессионная кривая располага-
ется ниже, чем нижний конец фильтра, и что вокруг фильтра возника-
ет трехфазная система, состоящая из проницаемого грунта, воздуха
и воды. Отсюда следует, что при применении метода вакуумирования
образуется водовоздушная смесь, что определяет тип насосной уста-
новки и ее характеристики.
Обычно при вакуумном водопонижении применяются иглофильтры.
Возможно его применение и для глубоких скважин. Причем в этом слу-
чае имеет место следующее подразделение способа вакуумного водопо-
нижения:
глубокие вакуумные скважины-колодцы с применением эжекторов;
глубокие вакуумные скважины-колодцы с применением насосов,
располагаемых под водой или работающих при пониженном давлении.
При применении эжекторов в скважину-колодец опускаются эжек-
тор с комплектом фильтров. При включении насосной установки внача-
ле происходит отсос воздуха и воды из прилегающего к колодцу грунта
и материала фильтровой оболочки. При этом предпочтение должно быть
Э11
Рис. 9.22, Понижение уровня грунтовых вод около ва-
куумной скважины
а - скважины совершенного типа; б - скважины
несовершенного типа; 1 - вакуумный колодец; 2 —
кривая понижения уровня грунтовых вод; 3 - граница
капиллярного подъема воды, трехфазная система; 4 —
всасывающая зона, трехфазная система; 5 — зона грун-
товой воды, двухфазная система
отдано одноярусной схеме водопонижения. На рис. 9.23,а показаны
обе возможные схемы с применением одно- и двухъярусного водопо-
нижения. Устройство скважины-колодца с применением эжектора пока-
зано на рис. 9.23,б. Эжектор показан на рис. 9.23^. Более подробно
вопросы применения эжекторного водопонижения приведены в работе
[ПО].
Теоретические и экспериментальные исследования вертикальных
и пологих стенок котлованов при применении вакуумного метода во-
допонижения в мелкозернистых проницаемых грунтах привели к инте-
ресному выводу, что получаемый в практических условиях перепад
давления меньше, чем определяемый по расчету При применении ва-
куумирования вследствие образующегося перепада давления из-за ог-
раниченной области его распространения в грунте образуется двухфаз-
ное водовоздушное течение, которое может быть описано теорией потен-
циального движения.
312
ЭЖЕКТОР I ИГЛОФИЛЬТР
Рис. 9.23* Применение эжекторов
а - схемы водопонижения при применении эжекторов и иглофильтров; б -
скважины с эжектором; в — эжектор; I — заполнение пространства между стен-
ками скважин и обсадной трубой; 2 — уплотнение из глины; 3 — щебень в качестве
фильтра; 4 - эжектор; 5 - деталь уплотнения; 6 - всасывающая линия; 7 - сталь-
ной фильтр с тканой оболочкой; 8 - дно фильтра; 9 — трубопровод для подачи
воды; 10 - магистраль для отвода технической и грунтовой воды; 11 - подсып-
ка; 12 - иглофильтр; 13 - сборный коллектор; 14 — заполнение; 15 - песок;
16 — мелкий песок; 17 - глина
По исследованиям Олберга—Митока [91] для протяженного кот-
лована, расположенного в однородном грунте при близко расположен-
ных друг к другу иглофильтрах, образуется двухфазный лоток, сетка
потенциальных линий для которого показана на рис* 9.24. Эти потенци-
альные линии являются линиями равного давления. По ним могут быть
определены возникающие в грунте силы, определяющие устойчивость
откосов котлована.
313
Рис. 9.24. Влияние вакуумного водопонижения на устойчивость вертикальной
стенки котлована [91]
В начале расчета определяется положение наименее благоприятных
кривых скольжения грунта до начала водопонижения и строится сетка
потенциальных линий для происходящих в грунте динамических про-
цессов. После этого определяются значения возникающих сил в точках
сечения потенциальных линий с поверхностью скольжения грунта, что
позволяет определить значение силы давления воздуха в плоскости,
перпендикулярной плоскости скольжения. Получаемое в результате
этого давление воздуха должно быть просуммировано с давлением
грунта.
На рис. 9.24 показано снижение величины давления грунта на приме-
ре вертикальной стенки котлована. Эквипотенциальные линии определе-
ны с учетом подсасывающего давления, образуемого при вакуумирова-
нии, силой от 5 до 40 кПа. На поверхности грунта при этом действует
давление, равное 100 кПа, а на поверхности фильтра в скважине давле-
ние принимается равным 50 кПа. Значения давления, приведенные на
кривых (см. рис. 9.24), представляют собой разницу между величинами
давления двух смежных линий и соответствуют величинам действующих
сил. На рисунке приведены также значения результирующих сил давле-
ния, определенные по SF; составляющие возникающих на поверхности
скольжения нормальных сил Q и определяемое значение давления грунта
314
Рис. 9.25. Влияние вакуума на устойчивость наклонных откосов
котлована [89]
Е’. При исследовании круговых и плоских поверхностей скольжения
они являются менее благоприятными. Для определения формы кривой
скольжения, которая должна быть принята за расчетную, рекомендуется
применение ЭВМ.
На рис. 9.25 для случая котлована с откосом в масштабе схематично
представлены действующие на откос силы с учетом действия вакуума.
В работах [89, 91] описываются дополнительные детали и подробнос-
ти метода расчета устойчивости откосов при применении метода вакуу-
мирования. Необходимо отметить, что другие способы водопонижения
по сравнению с вакуумным обеспечивают устойчивость откосов котлова-
на со значительно большей вероятностью.
9.3.2. Вакуумные установки с иглофильтрами. На рис. 9.26 представ-
лена схема иглофильтрового водопонижения. Иглофильтры представля-
ют собой отрезок трубы с фильтром и наконечником длиной от 1,0 до
1,5 м диаметром от 1 1/2 до 3 дюймов. Обычно иглофильтры погружают-
ся в грунт подмывом, для чего в них подается вода под избыточным
давлением. На рис. 9.27 показаны два режима работы иглофильтра —
при опускании и при откачке грунтовой воды.
Все иглофильтры присоединяются к сборным коллекторам спосо-
бом, исключающим возможность подсасывания воздуха. На рис. 9.28
показаны возможные варианты подсоединения иглофильтров при по-
мощи гофрированного резинового шланга диаметром 60 мм. Сборный
коллектор собирается из отдельных участков труб длиной до 5 м, имею-
щих присоединительные фланцы. Патрубки для присоединения отдель-
ных иглофильтров привариваются обычно на расстоянии 1,0 м друг от
друга. Каждый отдельный иглофильтр при помощи установленного вен-
тиля может быть отключен от сборного коллектора.
315
7
Рис. 9.26. Схема вакуумной установки скважин неглубокого заложения
[110]
1 — иглофильтры; 2 — гофрированный резиновый шланг; 3 — сбор-
ный коллектор; 4 - вакуумный котел; 5 - вакуумный насос; 6 - насос
для откачки грунтовой воды; 1 — барометрическая петля; 8 — емкость
для хранения охлаждающей воды; 9 - напорная линия вакуумного на-
соса; 10 — уплотнение, из глины: 11 — уровень грунтовых вод; 12 — ва-
куумная зона; 13 - отметка дна котлована; 14- отметка уровня грунто-
вых вод после водопонижения; 15 — отметка водоупора
Насосные установки в зависимости от принципа действия иглофильт-
ров подразделяются на два типа:
насосные установки для удаления воды под действием гравитацион-
ных сил;
насосные установки для удаления вода под действием вакуума.
Основное различие между этими двумя типами насосных установок
заключается в том, что при практически одинаковом конструктивном
исполнении они имеют различную мощность. На комбинате по выпол-
нению специальных работ (г. Магдебург, ГДР) при применении игло-
фильтров используются изображенные на рис. 9.29 и 9.30 насосные ус-
тановки. Используемые в них вакуумные насосы обеспечивают во всасы-
316
Рис. 9,27. Иглофильтр [34]
а - опускание игло-
фильтра методом подмы-
ва; б — режим откачки;
/ - фильтрующая труба с
фильтром из искусствен-
ного материала; 2 — нако-
нечник для подмыва; 3 —
труба; 4 — шаровой кла-
пан; 5 — отверстия (по
четыре в ряд); 6 - муфта
для отсоединения фильт-
ра; 1 — навинчиваемая
труба
Рис. 9.28. Присоединение иглофильтра при помощи
гофрированного шланга [34]
а - присоединение при помощи резьбовых
соединений: 1 - резьбовое соединение; 2 — трубча-
тый патрубок; 3 — резиновый гофрированный
шланг ф 60 мм; 4 — хомут; 5 — вентиль перед при-
соединением; 6 - двойной ниппель ф 2 дюйма;
б — присоединение иглофильтра при помощи
резинового шланга: 1 — сборный коллектор
Ф 125 мм с патрубками быстрого присоединения;
2 — патрубки присоединения ф 2 дюйма; 3 - ре-
зиновый гофрированный шланг; 4 — труба игло-
фильтра ф 2 дюйма
вающих трубах абсолютное давление 21,3 кПа. Насосные установки мон-
тируются на платформе, имеющей полозья или колесный ход.
Для опускания иглофильтров в грунт подмывом оборудуются спе-
циальные насосные установки, которые подключаются к имеющимся
гидрантам или специальным емкостям для воды. Бак емкостью 2,0 м3
достаточен для обеспечения опускания одного иглофильтра в грунт.
Изображенный на рис. 9.31 комплект для опускания иглофильтра рабо-
тает от насоса производительностью 20—50 м3/ч и развивает избыточ-
ное давление 150 мвод. ст.
Давление и расход воды, необходимые для погружения иглофильт-
ра подмывом определяются в каждом конкретном случае в зависимос-
ти от характеристик грунта. Погружение иглофильтра этим методом воз-
можно для грунтов, состоящих не менее чем на 30—40% из песка с мак-
симальным размером зерен 3,0 мм. Размер отверстия при этом составля-
ет от 200 до 250 мм. После достижения заданной глубины опускания
иглофильтра вентиль, регулирующий подаваемый расход, прикрывается
настолько, чтобы погружение иглофильтра прекратилось, а находящие-
ся во взвешенном состоянии частицы грунта не осаждались. На этом
317
Рис. 9.30. Вакуумная насосная установка
Рис. 9.29. Вакуумная насос-
ная установка [34]
1 - котел; 2 - задвиж-
ка ф 80 мм; 3 - вакуум-
ный насос; 4 - емкость
для воды охлаждения; 5 —
центробежный насос; 6—8-
вентили; 9 - патрубок;
10 - насос для откачки
воздуха; 11 - задвижка;
12 - электрощит; 13 -
вентиль для подачи воз-
духа; 14 - байпасе
Рис. 9.31. Передвижная установка для опускания
иглофильтра методом подмыва [341
1 - рама, на которой смонтирована установка;
2 — емкость для воды; 3 - высоконапорный цент-
робежный насос; 4 — трубопровод для подачи во-
ды в бак; 5 — водоотводная труба; 6 - всасываю-
щая линия; 7 - напорная линия фЗ дюйма; 8 — тру-
ба обратного поступления воды; 9 - электрощит
этапе вокруг иглофильтра устраивается обсыпка из мелкого фильтрую-
щего материала с частицами размером от 0,5 до 1,0 мм, после чего по-
дача воды в иглофильтр прекращается. Далее под действием атмосфер-
ного давления вводится материал, содержащий мельчайшие частицы.
Происходит заполнение оставшейся части промывного отверстия. Произ-
водительность установленного иглофильтра будет зависеть от качества
выполненных работ, водопроницаемости фил игровой обсыпки и произ-
водительности насосного оборудования.
318
После прекращения работ иглофильтров их извлекают из грунта.
Для этого используются специальные подъемные рычаги, подъемники,
гидравлические или другие тиры подъемных механизмов.
Надежность иглофильтров обеспечивается тем, что необходимая
для их работы электроэнергия будет поступать из двух независимых
друг от друга источников. Кроме того, должна обеспечиваться постоян-
ная система наблюдения и контроля за работой системы. Желательно
иметь систему сигнализации, которая оповестит при нарушении режима
работы, а также необходимый комплект запасного оборудования и де-
талей.
9.3.3. Расчет водопритока в вакуумных установках водопонижения.
Приток грунтовой воды в скважины-колодцы совершенного типа при
учете избыточного давления для прямоугольных котлованов может
быть определен по зависимости
Q =
v Wl/'e
(9-21)
Для значений R и ?€ могут быть использованы уравнения (9.4) и
(8.37). При протяженных котлованах и одностороннем притоке грунто-
вой воды можно записать, что
пр
(9.22)
(9.24)
Здесь hye представляет собой значение эффективного вакуума, который
определяется значением давления по внешней стороне иглофильтра.
Для определения его значения можно записать следующее выражение:
= Af-(At+M’ (9’23>
где hp — вакуум насосной установки; hp — потери вакуума на участке от насоса
до фильтра; hp — потеря вакуума в фильтре и прилегающей к нему кромке грунта.
Более удобным, чем (9.23), в данном случае является выражение
hve = hr~ &L,i + hF^-
,2 “ \ ! 2W) + ^ri
где hp j - потери разряжения на участке от насоса до места присоединения игло-
фильтра к сборному коллектору; ~ разница отметок между сборным коллек-
тором и фильтром; — плотность водовоздушной смеси; — плотность воды;
hrl — потери трения на участке высотой
Главная составляющая гидравлических потерь определяется величи-
ной hp 2, так как значительная часть созданного разрежения расходуется
на подъем воды от фильтра до сборного коллектора. В связи с этим
длина иглофильтров обычно ограничивается высотой 6,0 м, при этом мак-
симальная величина погружения фильтра в грунт составляет около 4,0 м.
При необходимости более глубокого водопонижения необходимо пере-
ходить на двухъярусное расположение иглофильтров.
319
Притекающий к иглофильтру расход грунтовой воды ввиду неоп-
ределенности ряда величин яри определении потерь разрежения, соз-
данного насосами, часто рассчитывается по приближенным формулам.
По работе [132] расход определяется по формуле
(9.25)
Ро - Р .
где т = —^---; /?0 — длина фильтра.
По рекомендации Арутюняна [34] для отдельной скважины рекомен-
дуется следующая формула:
(9.26)
где й - положение уровня воды в скважине-колодце.
Ковакс [132] преобразовал ранее полученную им формулу для
определения водопритока в скважину-колодец только под действием
гравитационных сил для случая вакуумного водопонижения:
тгЛ (Н2 - /г?) s + т
Qv = ~T~p-,-------------- (9-27)
шк/г S
причем т = ----и $ обозначают величины необходимого водолони-
жения. Во всех приведенных выше уравнениях величина -р представ-
ляет собой разницу между атмосферным давлением на поверхности грун-
товой воды и разрежением в скважине.
Необходимая продолжительность водопонижения при вакуумном
методе составляет:
для прямоугольных котлованов
ь ; (9-28)
v kh v h-s H-s+h
C J* C-
для двухрядного расположения скважин-колодцев
(9.29)
где р — число водоотдачи; г - приведенный радиус; b - половина расстояния
между двумя параллельными рядами скважин-колодцев.
В грунтах со значением капиллярного подъема уровня грунтовой
воды в приведенных выше уравнениях вместо высоты Н должна
быть использована величина Н, = Н + h, м вместо введена величина
h -h h
hyk ve “ Kk-
Значение числа водоотдачи определяется в зависимости от соотноше-
ния между величиной извлеченной из грунта воды Рн, и значением при-
нятого грунтом количества воды т.е. р = Vw/V-
320
Пример. Для случая протяженного котлована с двумя рядами колодцев не об’
ходимо рассчитать количество притекающей воды и продолжительность откач-
ки. Для сравнения расчеты должны быть произведены для случая откачки воды,
притекающей лишь под действием гравитационных сил и случая применения ва-
куумного водопонижения. Геометрические размеры рассматриваемой задачи при-
ведены на рис. 9,32. Характеристики грунта: Л — 6 м/с; д = 0,15; = 1,20 м.
Эффективное значение создаваемого разрежения составляет h = 2,5 м.
Решение. 1. Значение радиуса/? определяем по (8.21) :
/? = 20004,5 =20,12 м.
2. Водоприток на 1 м длины котлована определяем по (9.22):
5-10—6 (5,02 + 5,0-2,5) -6 3,
а =-----------------------=4,66-10 6 м3/(с*м) = 2,80 л/(мин-м).
4v 2-20,12
При гравитационном методе водопонижения по (8.23) для случая односторонне-
го притока воды расход на 1 м
? = (5,°3 “ °’52) = 3’08'1С) 6 м3/ (с'м) = 1.85 л/ (мин-м).
3. Время необходимого водопонижения по (9.29) при значении h , = 2,50—
-1,20 = 1,30 м и Нк = 5,00+1,20 =6,20 м:
f - 2’0,15-7,02
v 5106-1,30
Ан—^О^
X 6,20-4,00
6,20+130 ~ «п5 л_т -j
— ЧД----—1--------1—6,2*10 с— 7,2 су т.
6,20-4,00+1,30 /
При гравитационном водопонижении по (9.10) при Я=получим
2-0,15-7,02
5-10"Г
-----------------) = 8,62’105 с = 10,0 сут.
6,2-4,0 6,2
Разница в продолжительности водопонижения Д/ = / — по мере уменьшения
коэффициента фильтрации к становится больше.
9,4. ЭЛЕКТРООСМОТИЧЕСКИЙ СПОСОБ ВОДОПОНИЖЕНИЯ
Электроосмотический способ водопонижения применяется для илис-
тых мелкозернистых и среднезернистых грунтов, обладающих неболь-
шой пластичностью, электрохимические изменения которых не превыша-
ют 15—20%. Эти грунты ведут себя аналогично грунтам с большим
содержанием илистых частиц, расположенных к образованию плыву-
на, но не могут быть осушены применением метода вакуумного водопо-
нижения.
Рис. 9.32. Расчетная схема
21 -749
321
9.4.1. Физические основы метода. Путем изменения естественного
электрокинетического напряженного состояния между молекулами
и внешним электрическим полем грунт приводится к состоянию нару-
шения равновесного состояния на граничном слое. Этим достигается на-
рушение состояния равновесия частиц грунта» которые при этом могут
перейти в плывунное состояние. В результате этого возможно, что под
действием капиллярных сил молекулы воды придут в движение. Движе-
ние возникнет под действием положительной поляризации жидкой фа-
зы в направлении катода. Это движение жидкой фазы грунта называ-
ется электроосмотическим движением.
При образовании водогрунтовой суспензии, при которой частицы
грунта находятся во взвешенном состоянии, частицы грунта перемеща-
ются к аноду. Это движение называют электрофорезом.
По аналогии с законом Дарси для электроосмотического движения
может быть записано:
Ve = кеЕ = ке U/s’ (9.30)
С С С-
Градиент потенциалов Е, являющийся основой электро кинетических
процессов, определяется параметром состояния, который описывает
электрическое поле:
Е = U/s, (9.31)
где U — электрическое напряжение. В; s - расстояние между электродами, см.
Электроосмотический коэффициент проницаемости для связных
грунтов изменяется в пределах
fc = 340“5... 8Ю—5 см2/(В-с). (9.32)
Если известно значение электроосмотического коэффициента прони-
цаемости к€ и электрическое поле, то представляется возможным опре-
делить количество отбираемой воды за определенный промежуток вре-
мени. Это может быть записано в таком виде:
= = (9.33)
При введении значения удельного электрического сопротивления и
протекающего через грунт значения силы электрического тока / получим
Е = р/.
Если это выражение подставить в (9.33) и проинтегрировать вокруг
одной окружающей полюс эквипотенциальной линии, то для электро-
осмотической пропускной способности можно записать выражение в сле-
дующем виде:
(9.34)
где р — удельное электрическое сопротивление, Ом-м; I — сила тока, А.
Приведенные выше уравнения являются достаточно точными на
первой стадии электроосмотического водопонижения только в том
случае, если имеет место относительно высокое водосодержание грун-
та при простой геометрической схеме расположения электродов. При
322
сложных схемах расположения электродов необходимо переходить на
модельные исследования.
Полная скорость фильтрации потока будет иметь место при сложе-
нии гидравлического и электроосмотического течений потока
v -ki + keE. (9.35)
В качестве граничного условия возможного применения электроос-
мотического метода водопонижения может служить действующее зна-
чение размера зерен грунта, при которых значения гидравлической
скорости фильтрующего потока и электроосмотической скорости
v будут равны, т.е. имеет место следующее соотношение:
С
velvh = keElki= b
Граничное значение размера частиц грунта, при которых целесообра-
зен переход от метода вакуумного водопонижения к электроосмоти-
ческому, имеет место при следующих данных: от = 5*10“5 см2 / (В-с);
Е = 0,2 В/см и i = 1 до к - 10“5 см/с = 10”1 м/с.
Значение kjz/ki увеличивается по мере увеличения удельной поверх-
ности частиц грунта, что соответствует уменьшению их размера. Для
значения к 10 В 9 м/с можно принять, что электроосмотическое водо-
отделение будет примерно в 100 раз больше, чем водоотделение под дей-
ствием гравитационных сил. Значение силы тока в основном соответст-
вует закону Ома. Для расчета необходимой потребности в электро-
энергии необходимо определить электрическое сопротивление. Прибли-
женно это значение может быть определено по данным работы [113]
для скважин с фильтром и одного электрода по зависимости
(9.36)
где R — электрическое сопротивление, Ом; I — длина электрода в воде, см; s —
расстояние между электродами, см; г - радиус электрода, см (при переменном
поперечном сечении электрода принимается наименьшее).
Сила тока I может быть определена по закону Ома:
/ _________________1___
К р ln(Vr)
Если это значение будет затем подставлено в (9.30), можно опре-
делить величину расхода воды, которая будет отобрана из грунта одним
электродом
В этих выражениях значение U соответствует электрическому напря-
жению, В и величина р — удельному электрическому сопротивлению,
которое обычно принимается от 80 до 1500 и в исключительных случаях
2000 Ом.
Расход электроэнергии, кВт-ч, за время t может быть определен из
выражения
323
A^UIt^/Ryt. (9.38)
Количество воды увеличивается пропорционально напряжению* тог-
да как расход электроэнергии растет пропорционально квадрату напря-
жения. Электроосмотическое водопонижение приводит к заметному по-
вышению прочности грунта на срез. Можно констатировать* что в местах
расположения анодов несущая способность грунта значительно повыша-
ется. Это упрочнение вызывается диффузией ионов металла в грунт и
происходящих электрохимических реакций.
При применении алюминиевых анодов может иметь место упроч-
нение более рыхлых грунтов. При электролитическом разложении алю-
миния происходит освобождение ионов, которые в результате ион-
ной диффузии проникают в грунт. При соответствующей длительности
процесса диффузия ионов может происходить весьма далеко в грунт.
Достоверно известно, что упрочнение грунта происходит вокруг
анодов за счет образования гидрооксида железа или гидрооксида алюми-
ния, которые вследствие своих аморфных свойств способствуют обра-
зованию конгломератов из частиц грунта. Образующееся соединение
слабо растворимо водой и приводит к упрочнению грунта вокруг ано-
дов. Электрохимическое упрочнение грунта более подробно рассмат-
ривается в работах [37, 41, 118 и 132].
9.4.2. Устройство электроосмотического водопонижения. Для элект-
роосмотического водопонижения необходимы следующие оборудование
и материалы:
металлические аноды;
иглофильтр, являющийся катодом;
электрическая установка и оборудование;
источник постоянного тока;
насосы и трубопроводы.
Катодные скважины располагаются на расстоянии от 1,0 до 1,5 м
друг от друга, при расстоянии между рядами от 2,0 до 20,0 м. Скважи-
ны при этом могут быть либо пробурены, либо выполнены методом
гидравлического подмыва. Между рядами катодных скважин располага-
ются аноды, которые чаще всего выполняются в виде металлических
стержней или труб, забиваемых в грунт (рис. 9.33). При неглубоком
водопониженид на больших площадях электроды могут быть располо-
жены также в шахматном порядке.
В работе [37] рекомендуется применять напряжение 15—150 В при си-
ле тока 10—30 А и плотности тока 0,5—4 А/ьг. Расход электроэнергии
составляет около 30 кВт-ч на 1 м3 осушаемого грунта. Предпочтитель-
ным является применение напряжения от 100 В и выше при силе тока
от 0,1 до 0,5 В/см.
Катоды при этом могут быть выполнены в двух вариантах (рис.
9.34):
катодные колодцы из перфорированных труб, оборачиваемых тканым
фильтрующим материалом или с мелкопесчаной обсыпкой;
вакуумные скважины с заполнением фильтрующим материалом, по
краям которых располагаются от одной до четырех стальных труб
(стержней).
Катоды и аноды при водопонижении могут быть расположены в
разных вариантах (рис. 9.35, 9.36). Расстояние D между электродами
определяется по эмпирической формуле [37]:
324
Рис. 933. Принцип электроосмотического водопониже-
ния
1 — линия электропитания; 2 — сборный коллектор;
5 - скважина; 4 — стальной стержень
Рис. 9.34. Скважина для отбора воды
а — катодная скважина; б - вакуумная скважина;
1 - силовые линии, идущие к катоду; 2 - трубопровод
для подачи воды к насосу; 3 — медный катод; 4 — пес-
чаногравийный фильтр; 5 — перфорированная труба;
6 - подвод тока к медной оболочке; 7 - катод из ме-
таллической трубы; 8 — отрицательный полюс постоян-
ного тока; lw — действующая длина линии, идущей к
катоду
32$
Рис, 9,35. Электроосмотическое водопонижение из котло-
вана
а — двухрядное расположение; б - однорядное распо-
ложение анодов; 1 — электрический кабель; 2 — источник
постоянного тока; 3 — магистральный трубопровод; 4 —
всасывающая труба; 5 — перфорированная труба; б — анод
(металлический стержень); 7 — катодная скважина; /1 -
активная зона между двумя рядами анодов; — зовя об-
ратного действия; 1$ - активная однорядная зона
D=1WU
(9.39)
где / — плотность тока, А/м2; р - удельное электрическое сопротивление, Ом; ф —
коэффициент расширения поля; при D > s у = 2; при D < s ip = 3; s- расстояние
между электродами в одном ряду.
Рис. 9.36. Электроосмотическое осушение котлована при
чередующемся расположении катодов и анодов
1 - источник постоянного тока (электрогенератор);
2 — насосная установка; 3 — анод (металлический
стержень) ; 4 — сборный коллектор; 5 — скважина
326
9 НЕГАТИВНЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ ВОДОПОНИЖЕНИЯ
За счет изменения положения уровня грунтовых вод происходит
нарушение равновесия системы грунт — грунтовая вода. Последствия
водопонижения выражаются в различной степени в зависимости от ус-
ловий водопонижения и характеристик грунта.
Могут быть названы следующие виды последствий водопонижения:
просадки грунта в связи с удалением грунтовой воды из верхних
слоев;
осадки сооружений, дорог и различных коммуникаций;
изменение несущей способности грунта вследствие действия устано-
вок, осуществляющих изменение уровня грунтовых вод;
вред, наносимый ландшафту, рыбному и лесному хозяйству;
обнажение верхних оголовков деревянных свай;
возникновение отрицательных сил трения при высыхании связных
грунтов;
осадки висячих свайных оснований пропорционально осадке различ-
ных слоев рыхлых грунтов.
Осадки в строительных грунтах наступают в результате понижения
уровня грунтовой воды, вследствие чего в грунте возникают силы, при-
водящие к его уплотнению. При этом степень уплотнения грунта и осад-
ки зависят от характеристик грунта, его структуры и расположения от-
дельных слоев. Если плотность рыхлого грунта определяет его порис-
тость p'-g, то
P' = Psr-pw=Pj-Pw/(l+0 = (р5-р^)/(1+0 = (1-«)(PS”PW)
и после осадки при сохранении водосодержания w и плотности p^g
р = (1Ъг)р /(1+е) = (1+w).
г £ J J
Разница р= р - р' будет равна
U ГI
Ра = + pw = <1 ~п ) &sw + pw ) * (9-40>
Эта разница, умноженная на ускорение свободного падения g и осадку
s в выбранной точке р = p^gs представляет собой величину нагрузки
грунта под действием пониженного уровня грунтовой воды.
При пониженном уровне грунтовых вод вместо давления принима-
ется дополнительная нагрузка Др = pagAs~
Возникающие дополнительные нагрузки вызывают осадки грунта,
величина которых зависит от его прочности, характеристик слоев грунта
и их взаимного расположения. Эти осадки могут быть определены расчет-
ным путем. Необходимо отметить, что осадки по радиусу депрессион-
ной воронки непостоянны, а являются функцией понижения уровня
грунтовой воды, т.е. функцией расстояния от центра водопонижения и
характеристик грунта в рассматриваемой точке. Неодинаковые осадки
могут возникнуть также вблизи центра водопонижения при изменяю-
щихся грунтовых условиях. Особенно это заметно при расположении
вблизи центра водопонижения ранее построенных сооружений.
Кроме изменения величин нагрузок на грунт происходит изменение
плотности грунта. После введения в эксплуатацию установок по водопо-
327
нижению могут возникнуть новые деформации сооружения за счет
подъема грунта, причиной чего является концентрация связных грунтов
в определенных местах, и за счет разгрузки слоев грунта, находившихся
в сильно нагруженном состоянии.
До начала водопонижения необходимо произвести анализ возможных
отрицательных последствий- В гл. 5 отмечалось, что в условиях город-
ской и индустриальной застройки необходимо учитывать увеличение
массы грунта вследствие водопонижения. Необходимо также рассчитать
другие возможные пути поступления грунтовой воды к котлованам.
В результате этого становятся; очевидными преимущества стенок в грун-
те. Рассматриваемые в следующих разделах способы водопонижения
являются альтернативными, при применении которых следует считаться
с различной возможной их эффективностью,
ГЛАВА 10. ЗАЩИТА КОТЛОВАНОВ ОТ ГРУНТОВЫХ ВОД
Тенденция к строительству все больших по размерам и глубоких
котлованов, располагаемых в условиях городской и индустриальной
застройки, постоянно требует повышения надежности в части устойчи-
вости сооружаемых котлованов. При водопонижении в пределах кот-
лованов могут возникнуть нежелательные последствия. В этих случаях
котлованы должны ограждаться вертикальными, а в случаях обильного
поступления грунтовых вод и горизонтальными водонепроницаемыми
завесами.
10.1. УСТРОЙСТВО ВОДОНЕПРОНИЦАЕМЫХ СТЕНОК
Приток грунтовых вод в котлован может быть уменьшен, если он
ограждается водонепроницаемой стенкой, которая нижним краем за-
глубляется в водонепроницаемый грунт. Такая водонепроницаемая
стенка (рис. 10.1) может быть выполнена в виде шпунтовой стенки,
стенки из буронабивных свай или стенки-прорези, заполненной глиной,
бетоном или специальными бентонитовыми растворами-
Применение водонепроницаемых стенок для ограждения котлова-
нов от поступления грунтовых вод и понижения их уровня вблизи соору-
жаемого котлована является целесообразным в следующих случаях:
при наличии многослойных сильно водопроницаемых грунтов;
для большого притока грунтовых вод через сильно водопроницемые
слои;
при наличии грунтов, подверженных сильному разжижению водой;
при возникновении осложнений грунтовых условий вокруг котло-
вана.
В случае сооружения длинных котлованов (траншей) поперек направ-
ления течения грунтовых вод обязательно проведение исследований из-
менения режима грунтовых вод. При сооружении водонепроницаемой
стенки со стороны притекающего потока грунтовых вод при этом насту-
пит некоторое повышение его уровня, а с обратной стороны — его пони-
жение. В результате этого могут возникнуть осложнения, описанные в
разд. 9.5.
Роль водонепроницаемой завесы, устраиваемой вокруг котлована,
в определенных условиях может быть переложена на водонепроницае-
328
Рис, 10.1. Защита котлованов от грунтовой воды водоне-
проницаемыми стенками
j - поверхность грунта, 2 — водонепроницаемая стенка;
3 - водоупорный слой грунта
мую стенку, ограничивающую котлован, которая в этом случае кроме
давления воды должна воспринимать также давление грунта. Конструк-
тивное выполнение таких стенок и их изготовление было рассмотрено
в гл. 4 и 5.
Подземные условия также влияют на принимаемое решение. Напри-
мер, если котлован разрабатывается в водонепроницаемых грунтах,
под которыми располагаются водопроницаемые грунты, под действием
артезианского давления грунтовых вод может наступить разрушение
вышерасположенного грунта. При этом на границе водонепроницаемо-
го и водопроницаемого слоев появляется артезианское давление воды
s PwS^w и давление грунта gs = pgt, направленное вниз. Если при
этомри>#5 или давление потока грунтовых вод
Psi= pwgi = ~Pwgdhw / > 0,5 или 1,
то может наступить размягчение или местное разрушение грунта, кото-
рое обычно проявляется в виде прорыва грунтовых артезианских вод в
котлован.
Рис. 10.2. Стабилизация подошвы котлована при наличии
артезианского давления грунтовых вод
с — водонепроницаемая стенка и водосборный коло-
дец; б - скважина; I — водонепроницаемая стенка;
2 - сборный коллектор; 3 — уровень напорных грунто-
вых вод; 4 — скважина; 5 — водосборная скважина;
6 - водоупорный слой грунта
329
В связи с этим обычно наступает определенное напряженное состоя-
ние всей системы» при которой оно в значительной степени зависит
также от количества поступающей в котлован грунтовой воды. Это дав-
ление будет снижаться, если, как это показано на рис. 10.2, грунтовые
воды будут пропускаться через специальные фильтры-колодцы или во-
допроницаемые стенки перёд поступлением их в систему отвода грунто-
вых вод из котлована.
10.2. ИНЪЕКЦИОННЫЕ СТЕНКИ
Водонепроницаемые стенки для защиты котлованов от грунтовой
воды могут располагаться рядом с описанными и рассмотренными в
гл. 5 подземными стенками или инъекционными массивами или тонко-
стенными прорезями в грунте.
При применении водонепроницаемых стенок Этмо [163] применя-
ются усиленные прокатные профили (двутавры), которые забиваются
в грунт. Нижние концы этих несущих стенок закрепляются с одной
стороны профиля, на верхних концах с двух сторон на длине от 600 до
800 мм приваривают листовую сталь для усиления. Для подачи инъек-
ционных материалов применяется труба диаметром около 20 мм, кото-
рая в процессе забивки шпунта со стороны открытого конца закрывает-
ся специальный пробкой.
После того, как забиты от 6 до 7 стоек, первую из них при помощи
специальной гидравлической извлекающей установки (рис. 10.3) вытя-
гивают, а образующееся пространство заполняют глиноцементным ра-
створом. Забивка, извлечение и запрессовка производятся непрерывно.
Для того чтобы возникающие при забивке шпунта вибрации не мешали
схватыванию раствора, расстояние между ними должно быть не менее
2,0 м. Этот способ применим при глубине забивки шпунта от 6,0 до
10,0 м, при этом желательно, чтобы грунт имел среднюю плотность.
В настоящее время предпочтение отдается высокопроизводитель-
ным виброустановкам, существенно упрощающим процесс производства
работ.
Преимущество применения вибрационных установок для забивки
шпунта по сравнению с обычными установками ударной забивки в том,
что вибрационная установка может применяться как для опускания,
так и извлечения шпунта. При этом нет необходимости в замене или
перестановке узла соединения шпунта с самим вибратором. В дальней-
шем возможно достижение больших глубин опускания шпунта в грунт,
что зависит от их типа (профиля). Одновременно с опусканием шпунта
вибрационным способом инъецируется раствор, который способствует
снижению сил трения. Раствор инъецируется в горизонтальном направ-
лении по оси стенки. При подъеме шпунта образующиеся полости в
грунте под ними заполняются раствором, который проникает также в
поры грунта. За счет трения между соседними шпунтами и перекрытия
их по высоте на 8—15% образуется полностью водонепроницаемая завеса.
Узкие прорези-стенки в грунте применяются лишь в водопроницае-
мых грунтах с размерами зерен более 0,063 мм. С применением вибра-
ционных установок такие стенки создаются при глубинах до 25 м. При
этом наиболее важным являются правильное определение характеристик
грунта в месте устройства такой водонепроницаемой стенки и правиль-
ный выбор метода производства работ по их созданию в рыхлых водо-
330
4/
Рис. 103. Водонепроницаемая стенка типа ”Этмо”
а — схема устройства стенки; б — поперечное сечение
элемента стенки; в - поперечное сечение стенки; 1 - из-
влечение металлического элемента; 2 — трубка для инъек-
ции; 3 — насадка; 4 — элемент стенки; 5 — водонепрони-
цаемая стенка; 6 — трубка для подачи инъецируемого
раствора; 7 — прокладки; 8 — плоские накладки; 9 — учас-
ток готовой инъекционной стенки
проницаемых грунтах.
Инъекционные стенки могут выполняться также в виде статически
работающих стенок, особенно при расположении их в однородных рых-
лых грунтах, состоящих из зерен одинаковых размеров, и при располо-
жении их около не допускающих вибрации существующих сооружений,
которые могут располагаться также под этой стенкой и представлять
собой искусственно укрепленную грунтовую стенку. Иногда это может
быть единственно технически возможное решение. В этих случаях стенка
представляет собой тяжелую (массивную) стенку, способную выдер-
жать возникающее при этом давление грунта (рис. 10.4).
Инъекционные трубы при сооружении такой стенки вводятся в грунт
на расстоянии от 0,50 до 1,50 м друг от друга. Нагнетаемый в грунт ра-
створ вводится либо через боковые дренированные отверстия (до выдер-
гивания их из грунта) или даже через открытые торцевые отверстия.
Величина необходимого давления для инъецирования раствора, равно
как и его состав, зависят от зернового состава грунта, размеров час-
тиц и общей прочности грунтового скелета.
Камбефорт [19] приводит зависимость водопроницаемости (коэф-
фициента фильтрации к) применяемых растворов от их состава:
водоцементный раствор — заполнение трещин в прочных грунтах,
скальных породах;
активированный цемент в виде строительного раствора — заполне-
ние больших пор в грунте;
глино-цементный раствор с песком — песок и гравий при к >
>540-4 м/с; _ F
бентонитовый раствор - песок и гравий при к > 10 4 м/с;
силикат натрия + CaCI^ — для песка и гравия при к > 10~4 м/с;
331
Рис.- 10.4. Ограждающая инъекцион-
ная стейка
а - ограждение котлована инъек-
ционной стенкой; б - массивная
инъекционная стенка около фунда-
мента сооружения; 1 - отметка
поверхности земли; 2 — свисающая
часть стенки; $ - отметка дна котло-
вана; 4 - инъецированный грунт
лигносульфит + бихромат — для рыхлых грунтов При £ >
> 5-1О^5 м/с;
силикат натрия плюс реагентцеменг — для рыхлых грунтов при к >
> 10-5 м/с;
битумная эмульсия с силикатом для случая рыхлых грунтов при
к > 10 5 м/с; _
органические растворы - для рыхлых грунтов к > 10 6 м/с.
Вначале производится предварительное инъецирование растворами
на базе силиката натрия с добавлениями солей или альдегидов. Добавле-
нием химикатов получают пластические или непластические гелевые
растворы- По способу образования раствора они подразделяются:
гели, которые образуются сразу, непосредственно после их замеши-
вания;
гели, которые после их замешивания должны выдерживаться дли-
тельное время для прохождения в них соответствующих реакций. Из-
вестный раствор loosten применим для песков и гравелистых грунтов.
При применении этого раствора, реагирующего на наличие силиката на-
трия и хлоридкальция, оба компонента инъецируются раздельно во из-
бежание быстрой реакции компонентов. Этот раствор очень эффективен
в случаях быстротекущих грунтовых потоков воды. При этом могут
быть достигнуты значения прочности закрепленного грунта от 300 до
600 Н/с№.
Раствор Monodur применяется в рыхлых несвязных грунтах, которые,
по данным Джостона, не могут быть уплотнены и упрочнены. В этих
случаях применяют разбавленный раствор жидкого стекла, который из-
за наличия органических кислотных компонентов эмульгируется. Затем
этот инъецированный грунт может быть подвергнут уплотнению и упроч-
нению.
Для уплотнения крупных иловатых песков и иловатых грунтов
с размерами зерен до 0,02—0,063 мм применяется раствор Monosol.
При этом применяется лишь сильно разбавленный раствор жидкого
стекла с добавлением силиката натрия. Получаемый раствор обладает
высокими качествами уплотняющего материала, однако прочностные
характеристики его невелики. В зависимости от количества добавляемо-
го в раствор SiO1 ;А1а О3 в значительной степени может быть уменьшено
время, необходимое для его упрочнения и затвердения.
В ГДР в качестве инъекционного раствора нашел широкое приме-
нение Neuperm АР, который применяется для упрочнения и уплотнения
грунтов [65]. Этот инъекционный раствор непосредственно на строитель-
ной площадке добавляется к реагирующим катализаторам — органичес-
ким или неорганическим кислотам, которые активизируют соли, реаги-
332
Рис. 10.5. Нижние значения гранулометрического состава грунта при приме-
нении инъекционного способа его уплотнения
рующие на кислоты. Эта смесь в высокой степени соответствует приме-
няемой технике, так как может быть инъецирована в грунт в виде одно-
родного раствора и скорость его твердения может в дальнейшем регу-
лироваться. Кроме того, наряду с техническими преимуществами, этот
раствор имеет еще и определенные экономические преимущества.
Очень мелкие несвязные грунты, содержащие илистые частицы, могут
быть уплотнены и другими искусственными способами. Также может
быть повышена их прочность. Вязкость применяемых в этих случаях
растворов должна быть очень низкой. Их применение возможно лишь
в исключительных случаях при вакуумировании грунтовой воды.
На рис. 10.5 приводятся нижние пределы значений гранулометри-
ческого состава грунта для применения соответствующих растворов при
их инъецировании в грунт.
Химические растворы вводятся в грунт при давлении от 100 до
500 кПа, в исключительных случаях при более высоких значениях давле-
ния. В связи с этим не представляется возможным производить инъеци-
рование раствора на полную высоту вплоть до дневной поверхности,
так как при отсутствии соответствующей пригрузки могут возникать
выбросы грунта и раствора. При этом возможно также появление подъе-
мов существующих основании сооружений. В работах [19,41] содержат-
ся соответствующие описания и данные по техническим средствам,
применяемым при инъецировании растворов в грунт.
В заключение необходимо отметить, что до выбора метода уплот-
нения и упрочнения грунта необходимо провести полный анализ геоло-
гических, минералогических, химических характеристик грунта, а такрке
условий каждой конкретной строительной площадки, с тем чтобы ис-
ключить впоследствии дорогостоящие ошибки при выборе необходи-
мого способа работ.
333
103. УПЛОТНЕНИЕ ОСНОВАНИЯ КОТЛОВАНОВ
Когда в грунте на технически достигаемой глубине залегают водопро-
ницаемые грунты, может потребоваться ограждение котлована замкну-
той стенкой с выемкой всего объема грунта. При этом вертикальные
ограждения откосов котлована выполняются в виде водонепроницаемых
бетонных (железобетонных) или грунтовых стенок. Их горизонтальная
устойчивость достигается устройством бетонного или инъекционного
основания котлована.
10,3.1. Устройство подводного бетонного основания котлована. Под-
водный способ укладки бетонной смеси применяется при устройстве
оснований котлованов, способных нести полезную нагрузку. Эти кон-
струкции используются в тех случаях, когда трудно обеспечить полное
удаление воды из котлована. Например, в случае расположения котлова-
на в мелкозернистых грунтах, где при откачке грунтовых вод может
произойти гидравлическое их разрушение или сильное разжижение, или
в случае более крупных частиц грунта, которые обладают значительно
большей водопроницаемостью, что при откачке воды может привести к
увеличению притока грунтовых вод в котлован. При проведении работ
по подводному бетонированию вначале необходимо соорудить водоне-
проницаемые боковые стенки по периметру котлована. После этого
должны быть выполнены работы по подводной разработке грунта из кот-
лована до проектной отметки. Только после этого приступают к соору-
жению водонепроницаемого бетонного основания. Когда слой уложенной
бетонной смеси затвердеет настолько, что сможет противостоять давле-
нию грунтовых вод, вода из котлована откачивается насосами.
При выемке грунта необходимо следить за тем, чтобы уровень воды в
котловане не понижался ниже уровня воды за его пределами, так как
в противном случае возникнут течения грунтовой воды, которые приве-
дут к разрыхлению грунта путем его размыва или суффозии или даже
к гидравлическому разрыву. При очень быстром выполнении работ по
выемке грунта из котлована воду в него необходимо закачивать обрат-
но, с тем, чтобы исключить возможность появления описанных выше яв-
лений. Для выемки грунта из-под воды могут применяться гидравли-
ческие экскаваторы, оборудованные грейферами, универсальные экска-
ваторы с ковшом для глубокой выемки грунта с отметок значительно
ниже отметки установки экскаватора, а также механизмы с ленточными
ковшами, которые применяются при разработке траншей. Могут приме-
няться также портальные краны, перемещающиеся вдоль котлована,
оборудованные специальными ковшами для выемки грунта.
При подводном бетонировании необходимо, чтобы в процессе уклад-
ки бетонной смеси она была изолирована от соприкосновения с водой
во избежание образования движения воды, что приводит к разрушению
бетона. Поэтому в котловане в период укладки бетонной смеси должны
полностью отсутствовать течения воды. Это обеспечивается применением
технических средств, описанных в разд. 5.4.
При применении специальных бетонолитных труб, как это показано
на рис. 10.6,я, одна из них вводится в середину укладываемой бетонной
смеси. До начала подачи бетонной смеси по бетонолитной трубе ее ниж-
ний конец должен быть закрыт специальной пробкой. После заполнения
трубы бетонной смесью труба приподнимается на 100-150 мм, и бетон-
ная смесь вытекает из нее. При этом одновременно в верхний конец
334
Рис. 10.6. Подводное бетонирование
а — бетонирование при помощи бетонолитной трубы; б - способ перемещения
бетоновода экскаватором; в — применение гидравлического клапана; г — уст-
ройство бетонных оснований; 1 - эстакада; 2 — бетонолитная труба с воронкой;
3 — дно траншеи; 4 — шпунтовая стенка или обшивка; 5 — бетоновод; б - напор-
ный шланг; 7 — распорки; 8 — тележка для бетонирования; 9 — гидравлический
клапан; 10 — защитный слой; 11 - трубопровод для подачи раствора; 12 - гибкие
соединения; 13 - инъекционные трубы; 14 - крупный заполнитель; 15 - уплот-
ненный материал (бетон)
бетонолитной трубы подаются или закачиваются бетононасосом новые
порции бетонной смеси. Нижний конец бетонолитной трубы должен быть
догружен в укладываемую бетонную смесь примерно на 1—1,5 м. Если
бетонная смесь движется со слишком большой скоростью, необходимо
нижний конец бетонолитной трубы погрузить в бетонную смесь на боль-
шую глубину. При этом бетонная смесь, попадая на дно котлована, при-
поднимает уже уложенные слои, чем исключается соприкосновение но-
вых объемов смеси с водой в котловане и вымывание цементного ра-
створа. При этом необходимо следить за тем, чтобы уровень бетонной
смеси в бетонолитной трубе находился не ниже уровня воды в котлова-
не, иначе в нее будет поступать вода-
Ширина растекающейся по дну котлована полосы бетонной смеси
составляет до 3 м. Таким образом, при необходимости покрытия слоем
335
бетона площадей, превышающих 30 м\ следует использовать одновре-
менно несколько бетонолитных труб. Можно также применить уклад-
ку отдельными полосами, тогда между ними должны устанавливаться
специальные разделительные перегородки. Так как первые порции бе-
тонной смеси, поступающие в котлован, будут соприкасаться с водой,
то рекомендуется в них несколько повысить содержание цемента. Если
этот слой после откачки воды из котлована не будет соответствовать
требованиям по качеству, он должен быть удален отбойными молотка-
ми. На образовавшейся поверхности бетона можно в дальнейшем начи-
нать сооружение конструкции.
В последнее время подводное бетонирование проводится также с
применением бетононасосов, специальных пневматических установок
или другого оборудования. При применении бетононасосов продвиже-
ние бетонной смеси происходит не только под действием гравитацион-
ных сил, но и за счет избыточного давления в трубопроводе. Эта бетон-
ная смесь должна обладать большой пластичностью и подвижностью.
При применении бетононасосов используются специальные насадки с
механическим клапаном на выходном конце. Бетоновоз может переме-
щаться при помощи экскаватора, как это показано на рис. 10.6,6. Пере-
движение бетонолитной трубы в процессе укладки бетонной смеси долж-
но производиться под контролем водолаза или при помощи специальной
направляющей рамы.
В работе [8] ссылаются на применение специальной установки с
гидравлическим вентилем. Гидравлический вентиль, по которому пода-
ется и распределяется бетонная смесь в котловане, крепится к специаль-
ной направляющей раме или ферме (рис. Ю.б^в), которая перемещается
вдоль полосы укладываемой бетонной смеси. При этом осуществляется
также поперечное перемещение бетонолитной трубы по котловану.
Этим обеспечивается ровная укладка бетонной смеси по дну. Если в про-
цессе бетонирования в котлован подаются бетонные плиты, проис-
ходит дополнительное перемешивание воды с бетонной смесью и вымы-
вание цемента из нее.
Новые разработки в области подводного бетонирования показывают,
что при выполнении этих работ может быть обеспечено высокое каче-
ство.
В случае, описанном в работе [3J, который также называется инъе-
цированием бетонной смеси, в начале в воду вводятся ее крупные состав-
ляющие, после чего пространство между ними заполняется мелким
заполнителем с цементным раствором. В зависимости от используемого
при этом цементного раствора выделяют два метода — Prepakt- и Со1-
cretbeton.
Для заполнения образующихся полостей больших размеров до на-
чала засыпки их крупным материалом необходимо опустить в котлован
подающие раствор трубы таким образом, чтобы их выходные отверстия
располагались на расстоянии 50—60 мм от дна, а сами трубы — на рас-
стоянии 1,2—2,0 м друг от друга (рис. 10.6,е). Без прекращения работ
по отсыпке крупного заполнителя производится подача раствора, кото-
рый, распространяясь снизу вверх, заполняет все пустоты и вытесняет
находящуюся воду. Контактирование раствора со свободной водой не-
значительно, поэтому не происходит интенсивного вымыва вяжущего.
Верхняя поверхность уложенного слоя покрытия не должна превышать
отметку поданного раствора более чем на 1,5 м. Подъем уровня пода-
336
ваемого раствора может контролироваться электрическими датчиками
сопротивления.
Раствор при применении метода Prepaktbeton представляет собой
смесь мелкого песка, цемента, воды и специальных добавок, способ-
ствующих приданию ему большей пластичности. Количество воды опре-
деляется способностью раствора к течению по трубопроводам. Для ук-
ладки большого количества бетона используется крупный заполнитель
с размером частиц от 10 до 150 мм и даже 300 мм. При применении та-
кого заполнителя объем пустот составляет до 33—40%, а при применении
рваного камня — не более 25%. Преимуществом применения раздельно-
го способа укладки материалов является то, что при этом не требуется
выполнения больших по объему подготовительных работ по приготов-
лению бетонной смеси, имеется возможность применения более крупно-
го заполнителя и достигается определенная экономия цемента. На рис.
5.4 показан способ укладки крупного заполнителя при сооружении
стенки в грунте.
При применении Colcretbeton 1132] приготавливается очень жидкий
раствор, обладающий повышенной текучестью, с включением коллои-
дальных частиц, называемых Colgrout, которые изготавливаются на
специальной установке. В специальном смесителе барабанного типа, ко-
торый вращается с частотой до 1500—2000 мин'1 [19], вначале произ-
водится смешивание связующего материала и воды, на второй фазе
приготовления раствора в него добавляется мелкий песок от 0,3 до 0,5.
Смесь тщательно перемешивается. В качестве заполнителя при этом спо-
собе бетонирования используются круглой формы крупные камни диа-
метром до 40—75 мм.
При определении необходимой толщины бетонного основания не-
обходимо учитывать величину подъемного усилия на него снизу. При
сильно водопроницаемом грунте и маловодопроницаемом слое уклады-
ваемой бетонной смеси величина образующейся подъемной силы опре-
деляется по выражению (рис. 10.7):
Pg^Pw^- (10.1)
При водопроницаемости бетонной смеси кв> укладываемой в основа-
ние котлована в безнапорных условиях, устраиваемого в водопроницае-
мых грунтах с коэффициентом водопроницаемости kL, длиной путей
фильтрации s и величиной гидравлического напора hw = h-d, подъемная
сила составит
Ра = [d * fu<h - d) ] Pw4 c , (10.2)
где - потенциал фильтрующего потока на нижней стороне бетонной плиты ос-
нования.
Необходимая толщина бетонной плиты основания определяется при
условии ps - pfrgd - rjpa = i}pwgh. Отсюда следует, что
d = ~--hr] (10.3)
337
22 — 749
Рис. 10.7. Расчетные схемы для
определения толщины подводных
слоев бетона
а — при условии равновесия ве-
совых показателей ps ~ра; б -
опоры в двух точках со свобод-
ным опиранием и удержанием
за счет сил трения или сид сцеп-
ления; в - опирание в двух за-
щемленных точках с учетом пас-
сивного или активного давления
грунта
л Pw^uhri
или d - —------------- •
Pb ~ '
Значение коэффициента надежности tj обычно в этих случаях прини-
мается равным 1,3. Рассмотрение бетонной плиты основания как плиты
с большим весом приводит, особенно в котлованах небольшой ширины,
к неконструктивным решениям по их осуществлению. Силы подъема
должны определяться не только с учетом веса бетонной плиты, но также
с учетом местных условий. Поэтому необходимо объединение обеих
сил и их совместный учет. Если при этом учет дополнительных сил тре-
ния (за счет сооружения дополнительной конструкции, вызывающей
дополнительные силы трения) окажется заниженным, то необходимо
дополнительное соединение плиты основания со стенками котлована
устройством на стенках выступающих конструктивных элементов, спо-
собствующих сцеплению бетона со стенкой (см. рис. 5.4). При этом узел
соединения плиты со стенкой должен быть полностью водонепроницае-
мым. Хорошие результаты были также получены при применении лесча-
но-лучевых соединений [8], для осуществления которых были устроены
многочисленные песчаные прорези, располагающиеся ниже уровня воды.
Установка для создания песчаных прорезей в грунте движется парал-
лельно стенке котлована, при этом удаляется бентонитовая прокладка,
в результате чего песчаная прорезь плотно примыкает к бетону плиты
основания стенок котлована.
Если плита основания рассматривается как плита с двусторонней
нагрузкой, то в этом случае ее расчет как несущей конструкции разби-
вается на два этапа (см. рис. 10.7/т). При этом предполагается, что на-
ходящиеся с обеих сторон плиты стенки котлована допускают вращение
плиты и сумма сил может быть приравнена нулю S - V = 0.
338
Для этого условия можно записать:
m=£SL-
8 •
_ М_ ЗрВг
°bz ц/ 4d2
При условии, что р = hpwg-dp^g для величины d получим квадратное
уравнение следующего вида:
+ 3PbsB2d ~ 3Р™^2й "°-
(Ю.4)
В этих условиях не учитываются появляющиеся продольные усилия
от действия давления грунта и воды, которые могли бы действовать на
продольные стенки. Поэтому толщина плиты основания принимается
приблизительно.
При применении другого принципа расчета необходимой толщины
плиты основания исходят из предположения, что плита с обеих сторон
плотно и прочно соединена со стенками, при условии, что конструктив-
ное выполнение соединения плиты со стенками позволяют это сделать
(рис. 10.7x0. Если исходить из того, что плита будет испытывать толь-
ко усилия сжатия и линия соединения находится на расстоянии d/б от
осевой линии, то максимальное значение момента в точке защемления
будет равно
JW = p/2/12 = £ d/6.
Отсюда необходимая толщина плиты основания может быть опреде-
лена по формуле
d = ___
^р ^р +
(10.5)
Если Ер принять равным величине силы давления, которая определя-
ется из допустимого значения напряжения на сжатие crfy, то
Вр "dud I
откуда следует, что
d =
dad + pbB2
Отсюда может быть получено следующее квадратное уравнение:
°dd2 + f>bgB2d ’ = °’ (I°-6)
Этот расчет предполагает, что Е& = l/2doj с момента наступления
деформаций стенок и изменения положения точки приложения сил. Дру-
гими словами, в этом случае может быть приложена лишь сила активно-
го давления грунта Еа-
Таким образом, можно заключить, что значение силы 2£^ приводит
к выдавливанию плиты основания и в этом случае 2Е = 0, в результате
чего получаем уравнение (10.3). Толщина подводной плиты основания
может быть определена также по методу Крея, исходящего из следую-
щих положений:
339
Orf = - 2p«(/i - -^d) (1+Й, (10.7)
ou„ 3
2
где £ — коэффициент запаса при определении высоты давления столба воды (см.
рис. 10.7t<i).
Допустимая нагрузка на бетон зависит от качества уложенного
бетона. С учетом того, что в данном случае должна быть исключена воз-
можность возникновения трещин, значение оj может быть принято
от 150 до 200 Н/см2. а
Для уменьшения толщины плиты основания в последнее время нахо-
дит применение также способ изготовления железобетонных плит прямо
на месте. Для этого заранее сколачиваются опалубочные ящики, которые
затем устанавливаются краном и раскрепляются таким образом, чтобы
исключить возможность их перемещения или деформации.
Пример. Необходимо определить толщину плиты основания в котловане в со-
ответствии с данными рис. 10.7 при следующих параметрах:
В=5м; 10ми 20м; й = 8м; р^ = 2,2т/м3; =2,2 т/м3- 9,81м/с2 &
~22 кН/м3; р= 1,0 т/м3; р-g-1 т/м3-9,81 м/с2 ~ 10 кН/м3.
W W
Бетон: о^г = 80 Н/смг = 800 кН/м2; = 200 Н/см2 = 2000 кН/м2.
Решение. При В =10,00 м.
1. По (10.3) при?? = 1
d — 1,0-8,00/2,2= 3,64 т.
2. По (10.4)
4-800? + 3-22-10,02d - 310-10,02*8,0 =0.
d = 1,90 м.
3. По (10.6)
2000с?2 + 22 1 0,02d - 8,0-10,0-10,02 =0;
4/= 1,52 м.
4. По (10.7) при? = 1,0
2000 = [10 (8,0 - d ) - (22 -10) d ];
6-10,02/8d2 -2-10(8,0-2/34/) (1+1,0); J = 1,30m.
Для тех же условий задачи, но при ширине котлована Я = 5 м или В - 20 м оп-
ределим толщину плиты основания d, м:
Уравнение В =5 м Я = 10м В =20 м
(103) 3,64 3,64 3,64
(10.4) 1,14 1,90 2,73
(10.6) 0,87 1,52 2,37
(10.7) 0,70 1,30 2,13
Используемые при расчете уравнения должны выбираться с учетом геометричес-
ких размеров котлована и характеристик грунта.
10.3.2. Инъекционные завесы.
Г оризонтальные
инъекционные
завесы
в грунте, располагаемые под котлованом, способствуют уменьшению
поступления в него воды. Скорость фильтрующего потока вокруг
сто
340
но к, ограждающих котлован, за счет значительного увеличения сопро-
тивления грунта и снижения коэффициента фильтрации будет существен-
но уменьшена.
Во многих случаях более целесообразно устройство вертикальной
инъекционной завесы. Для этого в грунт заводятся специальные трубы с
манжетами [19]. В целях снижения стоимости и увеличения скорости
ведения работ стараются располагать скважины на максимально боль-
шем расстоянии друг от друга. В зависимости от местных геологических
условий расстояние между ними составляет от 1,5 до 3,0 м. С учетом
необходимого для заполнения скважин времени и объема грунта долж-
ны быть рассчитаны установки по приготовлению раствора, используе-
мого для силикатизации грунта. Равномерная пропитка грунта раство-
ром может быть достигнута лишь в тех случаях, когда время силикатиза-
ции будет больше, чем время, необходимое на нагнетание раствора. Так
как качество используемого силикатгеля зависит от используемых хи-
микатов , то при более длительном времени закачки раствора в скважи-
ны качество создаваемой завесы будет снижаться. С другой стороны,
грунт, в который производится закачка раствора, никогда не является
полностью однородным, в связи с этим всегда будут иметь место отступ-
ления от теоретической шаровой формы создаваемого инъекционного
тела в грунте при поступлении раствора в одной точке. С увеличением
расстояния между точками, из которых производится инъекция раство-
ра, растут ожидаемые отклонения от теоретических положений.
В последнее время доказана возможность даже при небольших рас-
стояниях между точками, из которых производится инъекция раствора
(до 1,0 м) достигать положительных результатов применением вибра-
ционной техники.
Отсюда следует вывод, что лучше создавать более тонкие, но более
высокого качества завесы. Созданная новая передвижная установка,
оборудованная вибратором (рис. 10.8,гг), обеспечивает вибрационное
погружение трубы на всю глубину, на которую производится инъекция
раствора [18]. Эта установка может осуществлять одновременную
забивку нескольких труб.
Применяемые вспомогательные трубы закрепляются на специальных
консолях и соединяются с используемым для опускания труб вибрато-
ром, который в данном случае является для них дополнительной при-
грузкой. Внутри основной трубы вставляется внутренняя труба, при
помощи которой осуществляется дополнительное увеличение давления
при опускании основной трубы в грунт.
Вибрацией извлекаемой вспомогательной трубы достигается допол-
нительное уплотнение грунта, в результате чего при нагнетании раствора
не происходит его выжимание вверх. Приготовленный заранее раствор
заливается в приемный бак насосной установки, напорный шланг кото-
рой соединяется с концом гибкой трубы, после чего может быть начат
процесс нагнетания раствора для уплотнения грунта. Начальное давление
для открытия клапана на нижнем конце трубы должно быть 2000—
3000 кПа, а давление на выходе раствора из насоса — от 700 до 1500 кПа.
На рис. 10.9 показаны два разреза по галереям, которые были вы-
полнены под защитой вертикальных и горизонтальных инъекционных
завес.
341
Рис. 10.8. Возведение инъекцион-
ной водонепроницаемой завесы
при помощи вибрационной техни-
ки [18]
а — установка с вибратором;
б - схема извлечения утерянного
инъекционного элемента; 1 — виб-
ратор; 2 — вспомогательная на-
правляющая; 5 - направляющая;
4 — внутренняя труба; 5 — инъек-
ционный шланг; 6 - инъекцион-
ный элемент; 7 - инъекционный
слой
10-4. ЗАМОРАЖИВАНИЕ ГРУНТА
Замораживание грунтов применяется при сооружении глубоких
котлованов или шахт. При замораживании прилегающего массива грун-
та образуется вертикальная водонепроницаемая стенка, под защитой
которой осуществляется его разработка.
Применение метода замораживания грунта становится все более
целесообразным по мере увеличения глубины сооружаемого котлована.
При глубинах более 35 м метод замораживания является единственно
возможным. Этот метод может также применяться в мелкозернистых
грунтах, в которых химическое инъецирование весьма сомнительно.
Однако он является весьма энергоемким и дорогим.
Применение метода рассчитано исключительно на замораживание
грунта вокруг сооружаемого котлована. При повышенном поступлении
воды в котлован необходимо сооружение вокруг него специального
ограждения, стенки которого могут быть замороженным грунтом. Дно
котлована должно быть покрыто слоем бетона или защищено инъекци-
онным раствором, образующим водонепроницаемую завесу. Проблема-
342
Рис. 10.9. Создание горизонтальных во-
донепроницаемых слоев (завес)
а - водонепроницаемый слой в ши-
роком котловане со шпунтовым, ограж-
дением; б — водонепроницаемый слой
в котловане, ограниченном стенками в
грунте; 1 — стальной шпунт; 2 — уплот-
няющий водонепроницаемый слой; 3 -
инъекционный анкер; 4 - сваи после
удаления инъекционных труб; 5 - стен-
ка-прорезь толщиной 0,7 м; 6 — дренаж
тачным является применение метода замораживания в условиях силь-
ных течений грунтовых вод, так как притекающий поток воды будет
непрерывно подводить новые количества тепла. Эффективность метода
замораживания в этих условиях зависит от количества подводимого
тепла и скорости потока грунтовых вод. Более детальные разработки
по этому вопросу приводятся в работе [87].
Преимуществом метода замораживания грунта является то, что
после сооружения котлована и прекращения подачи охлаждающего
раствора грунт возвращается в первоначальное естественное состояние
без каких-либо нарушений и изменений.
Для строительства глубоких котлованов применяется двухэтапное
и одноэтапное замораживание [ 132].
Двухэтапное замораживание грунта. На расстоянии от 0,5 до 1,0 м
от края котлована (в некоторых случаях на расстоянии от 1,0 до 1,3 м)
в грунте пробуриваются скважины диаметром от 150 до 250 мм. Так как
извлечение труб при бурении скважины на большую глубину крайне
затруднительно и дорого, то бурение осуществляется без обсадных труб
с применением тиксотропных жидкостей. В каждое из пробуренных
отверстий затем вводятся закрытые с нижнего конца стальные трубы,
которые называются замораживающими.
Оборудование, необходимое для замораживания грунта, состоит из
морозильной установки, одного расположенного в котловане холодиль-
ника для двойной системы труб охлаждения и замораживающих ко-
343
ЛОНОК.
В двухэтапном процессе замораживания грунта применяется охлаж-
дающая жидкость как среда для передачи и переноса охлаждающего
реагента. В компрессорной установке производится сжатие охлаждающе-
го реагента» которым может быть аммиак или углекислый газ. При
этом происходит сильное нагревание газа. В присоединенном последова-
тельно конденсаторе газ охлаждается водой» при этом происходит его
переход в жидкое состояние. Затем эта жидкость вводится в трубы ох-
ладителя» т.е. в скважины» в которых давление снижается, и жидкий газ
переходит опять в газообразное состояние. Во время этого процесса
происходит интенсивный отбор тепла от стенок труб и окружающей по-
роды. Трубчатый шланг находится в специальном рефрижераторе, запол-
ненном охлаждающей жидкостью, которая 'вследствие отбора тепла
охлаждается до требуемой температуры.
Охлаждающая жидкость при помощи насоса прокачивается через
подводящие и кольцевые трубопроводы диаметром от 60 до 100 мм и
Рис. 10.10. Скважина для замораживания грунта при двух-
этапной схеме замораживания
а — разрез по скважине для замораживания и коллекто-
ру охлаждающих труб; б — план котлована; I — питающий
кольцевой трубопровод; 2 — коллектор; 3 — отводящий
кольцевой трубопровод; 4 — направляющий блок; 5 —
направляющая труба; 6 - направляющая; 7 - труба для
подачи охлаждающего раствора; 8 — стенка замороженного
грунта; 9 - основание котлована из инъецированного грун-
та или слоя бетона, уложенного подводным методом бето-
нирования
344
движется по ним со скоростью от 0,5 до 0,7 м/с, достигая подошвы труб,
опущенных в скважины. По трубам относительно большего диаметра
жидкость затем поднимается вверх со скоростью от 0,03 до 0,05 м/с
и возвращается в кольцевой трубопровод, откуда опять направляется
в замораживающие колонки (рис. 10.10).
При медленном подъеме охлаждающей жидкости по трубам в сква-
жинах от окружающего их грунта отнимается тепло. В качестве охлаж-
дающей жидкости может применяться двойное соединение хлорида й
гидроксида с температурой замерзания -35°С или хлорид кальция. Ох-
лаждающая жидкость, средства охлаждения и производительность ох-
лаждающей установки должны соответствовать друг другу.
Одноэтапное замораживание грунта. При применении этого способа
охлаждающее свойство используемой жидкости передается на специаль-
ный охлаждающий раствор, используемый в качестве теплоносителя.
В связи с этим в трубы, опущенные в скважины, нет необходимости
вставлять внутренние трубы, обеспечивающие подачу раствора к ниж-
ним точкам. Жидкий хладонт при давлении от 6,5 до 7 МПа подводится
к закрытым охладительным трубам, опущенным в скважины. Там ра-
створ переходит в газообразное состояние под давлением от 0,6 до
1,0 МПа. В начале процесса замораживания эта жидкость отсасывается
компрессором и уплотняется, затем охлаждается и переходит в жид-
кое состояние. Жидкая охлаждающая среда затем вводится в трубы-
охладители в скважинах, где переходит опять в газообразное состояние.
При этом от окружающего скважину грунта интенсивно отбирается теп-
ло, обеспечивающее его замораживание. Жидкость, перешедшая в газо-
образное состояние, начинает движение по новому кругу.
10.5. ПРИМЕНЕНИЕ СЖАТОГО ВОЗДУХА
Применение для водопонижения сжатого воздуха, называемое также
пневматическим отжатием воды (см. рис. 7.1), может применяться как
для вертикального, так и горизонтального отжатия воды вокруг кот-
лованов. Горизонтальное отжатие применяется при сооружении тунне-
лей или штреков, вертикальное отжатие — при применении кессонов и
водолазных колоколов.
Этот способ стал известен в связи с тем, что его применение позво-
ляет легко отжать воду из грунта, находящегося под давлением грунто-
вых вод или под водой. В этих случаях необходимое давление воздуха
должно быть не меньше давления водной среды.
Для горизонтального отжатия воды из грунта по данным работы [68]
метод применим в следующих случаях:
в рыхлых грунтах, в которых отжатие воды не приведет к какому-
либо нарушению структуры;
не происходит осадок возведенных поблизости сооружений;
возможен сбой в работе имеющихся водопонизительных установок
(насосов и др.).
Применение кессонов целесообразно:
при погружении их на значительную глубину ниже уровня грунтовых
вод или свободной водной поверхности;
в илистых или склонных к образованию плывунов грунтах, которые
не могут быть осушены гравитационными методами;
в прочных неравномерных грунтах, пропускающих воду и имеющих
крупные включения;
345
23-749
Рис. 10.11. Комбинированный шлюз
для пропуска работающих, установ-
ленный на опускном кессоне 281
Рис. 10.12. Сооружение пешеходного
туннеля способом опускных колодцев
(кессонов)
1 - засыпка грунтом; 2 — уплотне-
ние; 3 - стяжка; 4 - тощий бетон;
5 - уплотненный грунт
если не могут быть использованы другие способы водопонижения
или применение их не экономично.
При применении кессонов, которые четко определяют размеры соору-
жаемого котлована или фундамента, пневматическое водопонижение
является весьма эффективным. Этот метод осуществим в сложных
геологических условиях.
При выполнении работ этим способом необходимо точное соблю-
дение всех необходимых правил. Все работающие должны регулярно
подвергаться медицинскому контролю. Давление в кессоне отделяется
от атмосферного специальными шлюзами, которые должны быть так
устроены и расположены, чтобы проход людей и доставка материалов
осуществлялись одновременно или раздельно в обе стороны. На рис.
10.11 показан комбинированный шлюз для людей с устройством
предшлюзовой камеры.
В открытых водоемах могут быть отсыпаны острова или дамбы
для использования их в качестве площадок для сооружения опускных
колодцев. Одна из стадий сооружения опускного колодца при сооруже-
нии транспортного туннеля и положение колодца после окончания стро-
ительных работ схематично показаны на рис. 10.12.
При горизонтальном подземном строительстве применение метода
удаления грунтовых вод сжатым воздухом ограничено величиной пере-
крывающего сооружение слоя грунта, которая определяется из равнове-
сия перекрывающего сооружение слоя грунта и вертикального давления,
возникающего из-за водовоздушного течения. Во избежание прорыва
воздуха при сооружении закрытых подземных галерей с использованием
346
метода пневматического отжатия воды в проекте производства работ
должны быть предусмотрены надежные методы защиты. Отдельные
вопросы этого метода рассмотрены в работах [41, 42].
ГЛАВА 11. УСТРОЙСТВО ПОДЗЕМНЫХ
КОММУНИКАЦИЙ
Прокладка коммуникаций и сооружение транспортных галерей от-
крытым способом осложнены в условиях плотной городской застройки
и индустриальных районах в связи с необходимостью проведения допол-
нительных магистралей для доставки строительных материалов и обору-
дования, воздействием возникающих шумов и вибрации на прилегающие
сооружения, опасностью для них из-за возможных деформаций грунта,
накоплением большого количества строительного мусора, необходи-
мостью в больших площадях для осуществления строительных работ.
В этих случаях предпочтение отдается подземным способам производст-
ва работ, обеспечивающим их выполнение без возникновения перечис-
ленных выше трудностей.
Преимущества этих методов работ следующие:
исключение ограничений по транспортным условиям;
исключение работ по выемке и последующей засыпке котлована
с приведением поверхности в первоначальное состояние, приспособлен-
ное для пропуска транспорта;
защита располагаемых поблизости сооружений различными ограж-
дениями;
отсутствие необходимости, переноса уже существующих трасс и ком-
муникаций по пути прокладки подземного сооружения;
уменьшение площадей для осуществления строительного процесса;
возможность выполнения работ без ограничений по продолжитель-
ности их проведения;
независимость выполнения работ от погодных условий.
Эти преимущества, а также то, что для их выполнения разрабатыва-
ются все более совершенные и высокопроизводительные механизмы и
установки, приводят к тому, что метод продавливания при подземном
строительстве получает все большее распространение.
Этот метод применяется при сооружении подземных трубопроводов
диаметром до 250 мм, при прокладке телефонных, энергетических
кабелей, газопроводов и сетей водоснабжения. Большие по сечению тру-
бопроводы имеют металлическую или бетонную оболочку, которая про-
давливается в грунте. В ней прокладываются теплотрассы, сети водоснаб-
жения и канализации, газовые магистрали для подвода сжатого воздуха
и кабельные линии.
Для сооружения любых подземных трасс методом продавливания
необходимы следующие данные:
точное местоположение всех ранее уложенных в данном месте трасс,
установок или возведенных фундаментов сооружений;
характеристики геологических условий по трассе;
технические характеристики используемого оборудования.
Необходимо также привлечение строительной организации к проект-
ным работам.
347
Основополагающие принципы планирования и выполнения работ по
сооружению туннелей для городского хозяйства приводятся Хейне в ра-
боте [46]. Вопросы транспортного туннелестроения, его назначение, ста-
тические и конструктивные решения, технологические проблемы более
детально рассматриваются в работе [78]. Расчеты напряженного состоя*
ния обделок коммуникаций, возводимых методом продавливания, под-
робно излагаются в работах [42, 78,96].
11.1. ПРОДАВЛИВАНИЕ
Кабели и коммуникации с оболочкой из пластических материалов,
обладающей большой прочностью, могут непосредственно продавливать-
ся через грунт специальными установками. С их использованием в грун-
те могут создаваться проходы диаметром до 300 мм. Работы ведутся
обычно в два этапа. На первом этапе при помощи продавливающей ус-
тановки устраивается направляющий ход и затем производится его рас-
ширение до проектного профиля.
Широко применяемый при проведении подобных работ агрегат ’’Крот”
(ПНР) пневматического принципа действия (рис. 11.1) зарекомендовал
себя с хорошей стороны.
Агрегат в форме сигары типа 88ZD имеет наружный диаметр 88 мм,
длину 1,3 м и массу 29 кг. Оголовок этой сигары продавливает в грунте
отверстие диаметром 85 мм. Скорость продвижения сигары в грунте
колеблется от 30 до 40 м/ч. Из-за большого расхода сжатого воздуха,
который составляет около 2 м3/мин, требуется компрессор сравнитель-
но высокой производительности.
В СССР разработано устройство для прокладки подземных коммуни-
каций методом продавливания. Речь идет о пневматическом устройстве,
которое работает по принципу пневматического молотка и может прохо-
дить легкие грунты на длину до 50 м. Вначале этим устройством осу-
ществляется рыхление грунта по трассе прокладки трубы, а затем произ-
водится продавливание оболочек, в которые протягиваются необходи-
мые коммуникации. Это устройство применимо для проходки отверстий
диаметром до 300 мм.
Продавливание труб диаметром от 100 до 300 мм можно осуществ-
лять гидравлическими или механическими винтовыми устройствами.
Для этого достаточно на внешний конец продавливаемой трубы наса-
дить конический оголовок, который в зависимости от грунта может
иметь различную форму и угол конусности. Диаметр насадка должен
Рис. 11.1. Схема работы устройства ’’Крот”
1 — устройство "Крот”; 2 — устройство для подачи сжатого
воздуха; J - соединение шланга; 4 — шланг сжатого воздуха;
5 — компрессор
348
быть несколько большим диаметра продавливаемой трубы для умень-
шения сил трения в процессе продвижения в грунте. Продвижение трубы
в грунте может быть облегчено промывкой водой.
При продавливании длинных труб работы проводятся с применением
двух различных насадок. Вначале на продавливаемой трубе закрепляет-
ся малая насадка и производится продавливание трубы на всю необхо-
димую длину до приемного колодца. Затем в приемном колодце на ко-
нец трубы надевается насадок большего диаметра, и труба протягивается
в обратном направлении.
В СССР для продавливания труб применяется метод, при котором
продавливание производится шаровым элементом с помощью вибрации.
При продавливании трубы малого диаметра вибратор закрепляется на
специальной штанге или трубе, которая продавливается в первую оче-
редь. Если требуется проходка большего диаметра, вибратор закрепля-
ется на специальной конической насадке. Скорость продавливания
при применении вибратора значительно выше, чем при обычном способе
продавливания, а необходимое для продвижения трубы в грунте уси-
лие — значительно меньше. Этот метод применяется в благоприятных
грунтовых условиях для прокладки коммуникаций диаметром до
500 мм. При этом достигается скорость продвижения трубы в грунте
до 30 м/ч.
Большие скорости продвижения труб в грунте могут быть также
достигнуты, когда для разрыхления и удаления грунта применяется
вода. Вода может подаваться по специальной насадке или трубе, которая
располагается в основной продавливаемой трубе. Грунтовая пульпа
стекает в приемный колодец, проходя либо в промежуток между стен-
ками трубы и грунтом, либо внутри самой трубы. Возможности приме-
нения этого способа зависят от свойств грунта, в котором проходит
продавливание трубы. Недостатком его являются большие расходы во-
ды и образование неконтролируемых пустот между трубой-и грунтом.
В целом можно заключить, что все способы продавливания обладают
высокой скоростью проходки, требуют применения простых техничес-
ких средств и обладают высокой степенью механизации. Трудности,
возникающие из-за грунтовых условий, во многих случаях могут быть
преодолены размывом грунта водой.
11.2. ГОРИЗОНТАЛЬНОЕ БУРЕНИЕ
В процессе пробуривания отверстий грунт разрабатывается при по-
мощи бура или специальной фрезы. Затем при помощи специальной
установки, представляющей собой вращающийся шнек, подается к вы-
ходному сечению в специальную камеру, из которой ведутся работы.
Преимуществом применения горизонтального способа бурения являет-
ся то, что длина проходимого участка составляет, до 6,5 м, после чего
должно производиться наваривание внешней оболочки трубы. После
этого работы по бурению могут быть продолжены. Число этих остановок
определяется длиной проходки. При пробуривании участков длиной до
60 м для уменьшения необходимых усилий диаметр трубы может по
длине несколько уменьшаться.
Некоторые детали установки НРВ-500/5 представлены на рис. 11.2.
Эта установка имеет максимальное усилие продавливания 1400 кН и
предназначено для проходки труб диаметром до 1200 мм. При примене-
349
Рис. 11.2. Схема установки НРВ-550/5
7 — буровая головка; 2 - буровой шнек; 3 - оболочка; 4 - напорный кожух;
5 — выбрасыватель; б - напорная стенка; 1 — складывающаяся рама; 8 - шпин-
дель; 9 - удлинительная рама; 10 - анкер в грунте; II - основная рама; 12 —
буровая тележка; 13 - гидродомкрат; 14 - балка передачи давления
нии установки типа НРВ-550/2 усилие продавливания достигает 775 кН
и проходимый диаметр составляет 426» 620 или 820 мм. Для прочных
грунтов (рис. 11.3) применяются специальные фрезерные головки, при
помощи которых даже в прочных мергелях могут быть получены хоро-
шие показатели проходки. Подробности по устройству установок для
горизонтального бурения и продавливания труб приводятся в работах
[101,102, 151].
Рис. 11.3. Специальная фрезерная головка [151]
1 - усиленные высокопрочным металлом фрезер-
ные зубья
350
Рис. 11.4. Схема вихревой камеры [152]
а — схема установки; б - вихревая камера; 1 - направляющая труба; 2 - вих-
ревая камера; 3 — подвод воды; 4 — присоединение к водопроводу; 5 — компрес-
сор; 6 — подвод воздуха в камеру; 7 — подвод воздуха к возвратной трубе;
8 - возвратная труба; 9 - балка для передачи усилия давления; 10 - масляный
цилиндр; 11 — опора; 12 — очистные клапаны; 13 — подвод воздуха в направляю-
щую буровой трубы
Для бурения и горизонтального продавливания применяется установ-
ка вихревого способа проходки [152], разработанная на основе приме-
няемой при вертикальном бурении установки с пневматическим приво-
дом. В вихревую камеру, которая должна плотно входить в продавливае-
мую вперед трубу, периодически подается вода и воздух. Получаемая
при этом смесь из воздуха, воды и разработанного грунта за счет посто-
янного повышенного давления в камере выдавливается в приемную
камеру. Если этого давления оказывается недостаточно, то подается до-
полнительное давление воздуха, которое способствует продвижению
смеси к выходному отверстию. На рис. 11.4 показана схема вихревой
камеры для горизонтального бурения.
Установки для удаления воды и водопонижения в отдельных случаях
могут быть представлены также дополнительными пробуренными сква-
жинами [166]. Используемая для этого труба диаметром не более
150 мм имеет стальную направляющую головку, которая удерживается
проходимым через нее специальным тросом. С нижней стороны этой тру-
бы располагается металлическая лента. На рис. 11.5 изображен этап про-
ходки.
351
Рис. 11.5. Прокладка коммуникаций [1661
а - во время производства работ; б — после
окончания работ; 1 — траншея с трубопроводами;
2 — дорога; 3 — тротуар; 4 — газон; 5 — главный
магистральный трубопровод; 6 — керамические
трубы
11.3. ПРОДАВЛИВАНИЕ ОБОЛОЧЕК
Способ продавливания применяется в тех случаях, когда оболочка
из металлической трубы или бетонной облицовки состоит из отдельных
элементов. Оболочка продавливается через грунт, после чего осуществ-
ляется механизированное удаление грунта с применением различных
способов транспортировки породы. Проходка закрепляется металли-
ческой облицовкой, которая затем по мере продавливания заменяет-
ся бетонной. Направляющая труба продавливается в грунт при помощи
гидравлических цилиндров. Необходимое для продавливания усилие
передается на специальную упорную плиту, которая упирается в верти-
кальную грунтовую стенку, и на направляющую трубу по специальной
цилиндрической вставке. После достижения направляющей трубой мес-
та окончания проходки ее облицовка заменяется на постоянную. Учас-
ток между направляющей трубой и участком, на котором уже установ-
лена постоянная, например бетонная облицовка, обычно остается откры-
тым или покрывается бетоном- В последние годы для этого широко при-
меняют железобетонные облицовки [98]. При применении металли-
ческих или предварительно напряженных бетонных облицовок необхо-
димо соблюдать следующие условия:
большая масса железобетонных облицовок и труб по сравнению с
металлическими и большее трение поверхности по грунту приводят к
необходимости создания больших усилий на продавливание;
352
6
Рис, 11.6. Оборудование для продавливания железобетонной трубы [98]
1 - направляющий оголовок; 2 — головной отрезок трубы; 3 — железобе-
тонная труба; 4 - промежуточные трубчатые вставки; 5 — направляющие;
6 — упорная конструкция; 7 — домкрат
усилие сопротивления продавливанию может быть существенно
уменьшено применением специального ножа, который устанавливается
в лобовой части продавливаемой трубы;
применяемые железобетонные трубы должны обладать повышенной
стойкостью к химическим воздействиям и повышенной прочностью;
торцы продавливаемых труб должны быть параллельны, что обес-
печит прямолинейность их продавливания и возможность проведения
необходимой корректировки направления без причинения им каких-
либо повреждений;
трубы должны иметь прочные, способные передавать большие осе-
вые усилия торцы, обеспечивающие хорошее центрирование трубы
при ее наращивании.
По сравнению с требованиями, предъявляемыми к металлическим
трубам, при применении железобетонных труб должны соблюдаться не-
которые условия. Это способность одинаково по всему периметру пере-
давать необходимые усилия, обеспечение точной соосности отдельных
участков трубы, что исключает возможность образования неконтроли-
руемых изгибающих моментов. Трубы должны иметь гладкую внешнюю
поверхность, так как при их продавливании следует рассчитывать на воз-
можность применения специальных растворов для снижения сил трения.
На рис. 11.6 приводится схема продавливания железобетонной трубы
в грунте.
Котлован, из которого начинается продавливание трубы большого
диаметра, необходимо оборудовать различными средствами вертикаль-
ного транспорта для доставки деталей, монтажа установки продавли-
вания и подачи наверх извлекаемого грунта. Так как вертикальный
транспорт необходим в течение всего технологического процесса, то наи-
более правильным является применение постоянного деррик-крана,
стоимость которого невелика [117].
Для пропуска ручья через железнодорожную насыпь методом про-
давливания [31] были применены прямоугольные железобетонные сек-
ции труб с размерами в свету по высоте 2000 мм, по ширине 4000 мм,
353
S528
Рис. 11.7. Траншея для размещения установки продавливания [31]
I - защитная берма; 2 - щит; ? - готовые секции трубы; 4 — рама уплот-
нения; 5 - установка продавливания в грунт; 6 - гидроцилиндры; 7 - упор
для гидроцилиндров; 8 — шпунтовая стенка; 9 - направляющая для переме-
щения секций трубы
толщиной стенок 400 мм, длиной 1 м и массой 14 т.
Строительные работы были начаты с сооружения котлована для раз-
мещения установки для продавливания трубы. Для ограждения стенок
был применен стальной металлический шпунт (рис. 11.7). До установки
первых направляющих секций трубопровода была пройдена направляю-
щая часть длиной 1000 мм. Грунт при этом извлекался вручную и пода-
вался в котлован, откуда поднимался грейфером на дневную поверх-
ность. Продвижение трубы при дальнейшем продавливании обеспечива-
лось применением трех гидроцилиндров, каждый из которых развивал
усилие 400 кН, яри ходе поршня в 240 мм. Всего было пройдено 15 м.
Силы трения в процессе продавливания были снижены специальным
раствором. На рис. 11.8 показана гидравлическая механизированная
установка для продавливания труб в грунте. Имеющийся опыт по про-
давливанию труб большого диаметра приведен в работе [36]. Необхо-
димость выполнения работ в процессе продавливания труб с большой
точностью и под постоянным контролем требует постоянного примене-
354
Рис. 11.8. Схема работы гидравлического подающего механизма с механичес-
ким отвозом грунта
1 — главная установка; 2 — гидроцилиндр; 3 — кольцо давления; 4 — бе-
тонная труба; 5 - промежуточная установка; б - фреза; 7 - фрезерно-погру-
зочная установка; 8 - транспортная тележка с электроприводом; 9 — элемент
лазерной установки; 10 — лазерная установка; 11 — лазерный направляющий
луч
ния высокоточной измерительной техники. Обычно применяемые в этих
целях теодолиты и нивелиры приводят к возникновению технологичес-
ких перерывов в работе и не обеспечивают необходимой точности работ.
В последнее время для измерения направления движения трубы
при продавливании широко применяются телио-неоновые лазерные ус-
тановки [71], которые при длине волны в 632,8 мм при помощи узкого
красного луча позволяют обеспечить высокое качество работ.
Установка дня получения необходимого луча может быть установ-
лена в любом месте, как это показано на рис. 11.9. Гелио-неоновый
лазер располагается в пионерном котловане. Проецируемый им луч,
проходящий точно по оси трубы, отражается и возвращается обратно.
Правильное положение оболочки направляющего ножа проверяется
по положению отраженного луча, который должен располагаться по оси
трубы. Гелио-неоновый лазер мощностью 0,5 мВт может использоваться
на расстоянии около 200 м, сечение подаваемого луча не превышает
15 мм и получаемая точность в ориентировании составляет менее ±5 мм
на каждые 100 м длины.
Рис. 11.9. Подземное продавливание трубы с лазерным
ориентированием [71]
1 — направляющая головка; 2 — разрыхленная по-
рода; 3 - контрольная направляющая установка; 4 —
ось трубы; 5 - железобетонная труба; б - головная
секция трубы; 7 - промежуточная секция; 8 - направ-
ляющие; 9 — установка для создания усилия продавли-
вания; 10 — упор; 11 - лазер; 12 - опора лазера
3S5
11.4. МЕТОД НОЖЕВОГО ПРОРЕЗЫВАНИЯ ПОРОДЫ
Переходным способом проходки туннелей или труб большего диамет-
ра от метода продавливания к методу щитовой проходки является метод
ножевого прорезывания породы. При этом методе проходки в грунт
продавливаются профилированные металлические балки или облицовоч-
ные элементы, которые называются ножами. Обратной стороной эти но-
жи упираются в облицовку, которая устраивается после проходки впе-
ред. В направлении проходки они опираются на направляющие, располо-
женные в забое, и продвижение их вперед осуществляется механическим
или подрав лическим способом. Далее выполняется облицовка пройден-
ного участка железобетонными плитами или монолитным бетоном. В
соответствии с геологическими и гидрогеологическими условиями про-
ходка осуществляется сразу полным профилем или отдельными участ-
ками. На рис. 11.10 схематично показана облицовка участка сооружае-
мого трубопровода. Под защитой крепи производится установка посто-
янной обделки железобетонных, стальных и чугунных тюбингов. Чтобы
исключить возможные осадки конструкции в образующееся за обли-
цовкой пространство нагнетается цементный раствор или глиноцемент-
ная суспензия.
Недостатком метода является то, что при его применении не могут
быть выполнены проходки на криволинейных участках и то, что он мо-
жет быть применен лишь в тех случаях, когда несущая способность
200
Рис. 11.10. Проходка при помощи ножевого устрой-
ства с последующей облицовкой готовыми секция-
ми железобетонной трубы [?4]
1 — устройство для обеспечения продвижения
ножевого устройства; 2 — распорки; 3 - порог
на подошве; 4 — арки, защищающие от обрушения
грунта; 5 — железобетонные секции труб или
тюбинги; б — дуги оболочки; 7 ~ тюбинги
356
Рис. 11.11, Сооружение штольни при помощи "ножевой”
установки [165 ]
грунта достаточна для того, чтобы он на некоторое время оставался
без облицовки.
Преимуществами этого метода является то, что при проходке неболь-
ших поперечных сечений, когда представляется возможность примене-
ния облицовки из железобетона, она непосредственно примыкает к
скальной породе в нижней части сечения.
При щитовой проходке и круговых формах применяемой облицовки
возникает опасность вдавливания опалубки в бетонную обделку. Под
улицами и существующими сооружениями проходка этим методом осу-
ществляется из специальной шахты. Если подходные к забою штольни
располагаются ниже уровня грунтовых вод, необходимо применение
водопонижения- При определенных обстоятельствах может быть также
применен кессонный способ, в связи с чем должны быть устроены спе-
циальные камеры шлюзования для проходки персонала в подземную
выработку. При облицовке туннеля монолитным бетоном он должен
обладать водонепроницаемостью. В случае облицовки готовыми элемен-
тами особое внимание должно быть обращено на устройство водонепро-
ницаемых швов между элементами облицовки.
Этот метод применяется в тех случаях, когда щитовая проходка
экономически не эффективна, как, например, при проходке штолен
небольшого диаметра.
Рассмотренный способ применяется в сложных геологических усло-
виях и при необходимости проходки под различными сооружениями
(например, дорогами). На рис. 11.11 показан пример сооружения штоль-
ни прямоугольного сечения под действующей железнодорожной линией
[165]. В процессе этого строительства забой отрывался частями. Для
транспортировки разработанной породы применялись специальные ем-
кости, которые передвигались по штольне при помощи вилочного пог-
рузчика, доставлявшего грунт к вертикальной шахте, по которой подъ-
емным механизмом поднимался на дневную поверхность.
357
11.5. ЩИТОВАЯ ПРОХОДКА
Если в предыдущем методе проходки выемка грунта осуществлялась
под защитой используемых для продвижения ножей, то при щитовом
методе проходки продвижение осуществляется продавливанием вперед
цилиндрического ножа, представляющего одно целое, под защитой ко*
торого производится выемка грунта на участке продвижения щита. Для
продавливания используются в основном новейшие гидравлические прес-
сы, которые располагаются в непосредственной близости от лобовой
грани щита, прочно с ним соединяются и упираются в уже выполненную
облицовку.
Щитовая проходка имеет традиционное применение при проходке
цилиндрических штолен и туннелей в городских условиях, особенно
при проходке линий метрополитена, транспортных туннелей попереч-
ным сечением до 10 м, при сооружении сборных коллекторов, линий
для подвода и отвода различных коммуникаций диаметром 2 и 4 м
[4,115, 162].
Щитовая проходка по сравнению с открытым способом производства
работ является более предпочтительной и экономичной в следующих
случаях:
прокладка коммуникаций на большой глубине, под транспортными
магистралями и застроенными участками;
пересечение сборными коллекторами или большими осушительными
водоводами городских главных транспортных проездов, площадей, ав-
тодорог и железнодорожных линий;
прокладка туннелей или штолен большого поперечного сечения
на глубине более 12 м на застроенных территориях;
работы по реконструкции коммуникаций уже застроенных терри-
торий, особенно в городских центрах, а также прокладка новых подзем-
ных коммуникаций;
спрямление городских трасс без учета условий расположения дорог.
Корпус щита представляет собой металлическую сварную конструк-
цию, обычно имеющую двойные стенки, размеры которой соответствуют
необходимому профилю и сечению туннеля или штольни. На лобовой
Рис. 11.12. Схема щитовой про-
ходки Г1151 .
1 - забои; 2 - задига забоя;
3 — нож щита; 4 — ободочка щи-
та; 5 - гидравлические цилинд-
ры; 6 - хвостовая часть щита;
7 - заполнение пространства за
стенкой; 8 - защитная стенка
от возможного прорыва грунто-
вой воды; 9 - тюбинги; 10 —
эректор; 11 — концевое уплот-
нение; 12 - промежуточный
пол; 13 — стенка, обеспечиваю-
щая необходимое давление в
забое; 14 — шлюз для прохода
работающих; 15 — шлюз для
пропуска материалов
358
Рис. 11.13. Механизированная щитовая проходка
J — оболочка щита; 2 — фрезерная шайба; 3 — рука погрузчика; 4 — несущий
механизм; 5 - механизм давления; 6 - цилиндры подачи щита; 7 - цилиндры
продвижения фрезерного механизма; S - транспортер; 9 - двойной эректор;
10 — подача тюбингов; 11 — прицеп; 12 — гидравлический насосный агрегат
части щита располагаются породоразрушающие механизмы, а сзади
складируются элементы облицовки, например, блоки, тюбинги из бетона
и железобетона, механизм для их установки с гидравлическим приво-
дом.
Лобовая поверхность грунта со стороны забоя должна поддерживать-
ся специальной плитой, которая предохраняет забой от возможного
обрушения слабых грунтов (рис. 11.12). При проходке туннелей боль-
шого сечения забой может быть разделен на отдельные части, что позво-
ляет производить работы по проходке одновременно на разных уровнях.
Щит является наиболее ответственной частью при этом методе про-
ходки. Его конструктивное выполнение может быть различным: частич-
но или полностью механизированным.
Открытый или ручной щит предназначен для проходки штолен не-
большого сечения. Его преимущество по сравнению с частично или
полностью механизированными щитами заключается в том, что он мо-
жет применяться при проходке в любых грунтовых условиях, обладает
сравнительно небольшой массой, малой стоимостью, а также неболь-
шими затратами при установке и демонтаже. Размеры этих щитов опре-
деляются условиями выполнения работ по сооружению сборных коллек-
торов, водоводов и др.
При использовании частично механизированных щитов часть необ-
ходимых работ, как, например, рыхление, погрузка и отвоз грунта, про-
изводится механизмами с индивидуальным управлением. В зависимос-
ти от характеристик проходимых грунтов для этих работ могут исполь-
зоваться различные строительные механизмы [4].
Полностью механизированные щиты (рис. 11.13) применяются при
сооружении туннелей метрополитена, а также различных штолен. При-
менение щита приводит к сокращению сроков и стоимости выполнения
работ.
Для сооружения водоотводящих коллекторов в СССР [162] приме-
няются проходческие щиты, обеспечивающие сооружение туннелей диа-
метром 2,1; 2,6; 3,2 и 4,0 м. Обычно щит при каждом продвижении
передвигается вперед на 500 мм. Затем сразу закрепляют неустойчивые
грунты. Этим обеспечивается безопасность проведения работ и исключа-
ется возможность обрушения забоя в сторону щита. Разработка грунта
359
Рис. 11.14. Распределение давления воды и
воздуха при продавливании с помощью
воздуха
при этом может производиться вручную или с использованием специаль-
ных механизмов.
В простых геологических условиях, в особенности в однородных связ-
ных грунтах, применяются полностью механизированные щиты. Осво-
божденная от грунта часть забоя облицовывается бетонными элемента-
ми. Во избежание обрушения грунта за облицовкой производится запол-
нение образующихся пустот раствором. Если коллектор располагается
ниже уровня грунтовых вод и требуется обеспечение водонепроницаемо-
сти его стенок, то кроме установки наружной бетонной обделки приме-
няется дополнительная внутренняя облицовка из сегментных плит,
при установке которой должно быть обеспечено надежное соединение
и уплотнение их между собой. Это достигается закачиванием между ни-
ми специального раствора. Во многих случаях для обеспечения водоне-
проницаемости применяется покрытие внутренней поверхности бетонной
облицовки набрызг-бетоном.
Для опускания щита на проектную отметку и его последующего
извлечения на дневную поверхность после окончания прокладки тунне-
ля или штольни требуется сооружение специальных шахт. Они сооружа-
ются круглого или, в отдельных случаях, прямоугольного сечения.
Их облицовывают и в последующем могут использовать в качестве
контрольных шахт для осмотра сборных коллекторов или водоотводя-
щих каналов. Для сокращения длины подземных транспортных путей
через 100—200 м могут сооружаться специальные дополнительные шахты
меньшего поперечного сечения, которые проходят при помощи ручных
щитов.
Если щитовая проходка должна производиться под открытыми вод-
ными поверхностями или ниже уровня грунтовых вод необходимо про-
ведение мероприятий, обеспечивающих возможность работы в сухих
условиях.
Водопонижение при применении щитовой проходки, как правило,
дешевле и менее сложно в осуществлении, чем применение отжатия
сжатым воздухом. Однако во всех случаях должен быть обеспечен спо-
соб бесперебойного водопонижения. В случае перерыва в водопонижении
произойдет проникание воды в штольню, в результате чего возможен
размыв грунта на стороне забоя и обвал его в штольню.
Этих последствий и риска можно избежать, если через проницаемые
грунты перед проходкой будет подаваться сжатый воздух. Тогда во из-
бежание возможного прорыва воды и грунта в забой должна быть приме-
нена специальная шлюзовая камера, через которую осуществляется дос-
360
туп людей и вывоз разработанного грунта (см. рис. 11.12). Давление
сжатого воздуха при этом определяется величиной давления воды и пер-
вое должно быть несколько больше второго. Давление воды на кон-
струкцию кессона при этом будет различно и определяется погружением
данной части конструкции ниже уровня грунтовых вод (рис. 11.14).
При наличии утечки воздуха из кессона вследствие проницаемости
уложенного в облицовку штольни или туннеля бетона может произой-
ти прорыв его наводную поверхность, что в свою очередь приводит к раз-
рыхлению грунта и в некоторых случаях его разжижению и приобрете-
нию им свойств пластичности. Поэтому в определенных условиях
кессоны могут использоваться только одновременно с устройством
специальных воздухонепроницаемых и вдонепроницаемых стенок. В
этих случаях необходимо применение химического закрепления грун-
тов для повышения их прочности и воздухонепроницаемости.
ТЕРМИНОЛОГИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
а —
А
Ъ
^0 —
£
с —
—
С
d —
dw
—
av е —-
<d —
eah
€ahc ’—
eahf —•
eahy ’—
eav
eP
—
$ —
Eq —
EP —
Eb —
cu —
F —
£ —
h
hJ
—
Ao —
ks
№
i —
—
—
—-
—
G к
к?
Kn —
Eah —
рабочая ширина, м(мм); расстояние между стойками, удерживающими
обшивку, м; плечо действия сил давления грунта;
площадь, м2; дополнительная пригрузка на ограждающее сооружение,
стенку, кН;
пролет в свету между стойками, м (мм);
ширина фланца, м (мм);
ширина котлована, м;
сцепление, кН/м’;
кажущееся сцепление, кН/м’;
толщина слоя грунта, м (мм);
диаметр частиц грунта, внутренний диаметр трубы, толщина строительно-
го элемента, мм;
действующий размер частицы грунта, мм;
толщина облицовки, стенки, мм;
толщина стенок, облицовки котлована, мм;
коэффициент пористости е = Гр/Г5; ширина незагруженной бермы, по-
лосы, м;
активное давление грунта, кН/м’;
горизонтальная составляющая активного давления грунта, кН/м2;
горизонтальная составляющая активного давления грунта, вызываемого
сцеплением, кН/м3;
то же, но вследствие пригрузки, кН/м3;
то же, но вследствие собственного веса, кН/м3;
вертикальная составляющая активного давления грунта, кН/м2;
пассивное давление грунта, кН/м3;
давление грунта в естественном состоянии, кН/м3 ;
нагрузка от давления грунта, приходящаяся на стойки обшивки кот-
лована е£=аеа, кН/м;
активное давление грунта, отнесенное на единицу длины стенки огражде-
ния котлована, кН/м;
пассивное давление грунта, отнесенное на единицу длины ограждения
котлована, кН/м;
давление грунта в естественном состоянии, отнесенное к единице длины
стенки ограждения котлована, кН/м;
активное давление грунта, отнесенное к расстоянию между стойками
крепления стенок котлована а, кН;
сила, кН(Н); распределенная нагрузка, кН/м;
ускорение свободного падения £ ~ 9,81 м/с3 10 м/с2;
высота стенки ограждения котлована, высота кривой спада уровня грун-
товой воды в точке пересечения со стенкой колодца, скважины, высота
перелива, м (мм);
свободная высота стенки ограждения котлована, м (мм);
высота капиллярного подъема уровня воды, см (мм);
высота стояния грунтовой воды, уровень гр унтов ой воды в скважине или
колодце, м (мм);
длина пути фильтрации й5 = Si = Л — Ло, м (мм);
гидравлический напор, высота, м (мм);
критическое значение давления, м (мм);
мощность водоносного слоя грунта, м (мм);
гидравлический градиент, гидравлический уклон;
критическое значение гидравдического уклона;
степень плотности;
показатель консистенции;
плотность сложения;
число пластичности Ip=w£ — Wp;
уплотнение Is = Pd/Pdt:d
коэффициент фильтрации, м/с; абсолютная шероховатость, мм;
коэффициент электроосмотической проницаемости, см3/(В - с);
коэффициент давления грунта;
коэффициент активного давления грунта;
горизонтальная составляющая коэффициента активного давления грунта;
362
Кау составляющая коэффициента активного давления грунта от действия
гравитационных сил;
&ahy " горизонтальная составляющая коэффициента активного давления грунта
от действия собственного веса;
^ahc — то же, вследствие действия сил сцепления;
Л— составляющая коэффициента пассивного давления грунта;
Ао — составляющая коэффициента давления грунта в естественном состоянии;
/ — длина, мм (мм);
L — длина котлована, м;
т — масса, г (кг, т) ; заложение откоса, уклон откоса;
ms — масса в уухом состоянии, г;
mw — масса поровой воды, г;
М — момент, кН • м;
Мр — значение момента в пролете конструкции, плиты, балки, кН м;
Л/q — жесткость, Н/см3;
М& — опорный момент, кН м;
к - пористость п - Ир/F; заложение откоса;
V — полезная мощность, кВт;
р — транспортная нагрузка, пригрузка, кН/м2;
ps — нагрузка на полосу, кН/м2;
ps — давление потока, Н/мэ;
psl — вертикальная составляющая давления потока, Н/м3;
q — приток грунтовой воды на 1 м периметра котлована, мэ / (с м);
q_f - способность скважины (колодца) принимать воду, м3/с;
Q — приток грунтовой воды в котлован, потребное количество или сток
воды, м3/с; поперечная сила, кН;
г — радиус, м (мм);
ге — заменяющий радиус, м (мм) ;
У? - зона распространения осадки, гидравлический радиусJ? ~A/U, м;
s - осадка колодца у подошвы основания, м;
Sr — степень водонасыщения;
f - глубина заделки м (мм); толщина стойки, м;
ta — глубина выемки (котлована), глубина врезки, защемления, заделки,
м (мм);
гВ " глубина котлована, м (мм);
tp — глубина заделки, защемления в углах котлована, м (мм);
Ц — значение внутреннего действия заделки, м (мм);
fj? - глубина забивки шпунта, м;
и - положение точки нулевой нагрузки под основанием котлована, м (мм) ;
U — степень неоднородности зернового состава грунта (/ =^бо/^ю; 11е'
риметр, м; электрическое напряжение, В;
у — скорость, м/с;
V — объем образца рыхлого грунта, см3;
— объем пор в грунте, см3;
fv — объем грунтового скелета, см3;
- объем воды, заключенной в порах грунта, смэ;
И1 — влажность;
— граница текучести по Касагранде;
— естественная влажность;
H’Opt — оптимальная влажность;
ир - влажность на границе пластичности;
— влажность в водонасыщениом состоянии;
Hf - момент сопротивления, см3;
2 - глубина под ограждением, м (мм) ;
а - угол наклона стенки, °; условия выемки грунта, показатель выемки
а=гв/*а,
(3 — угол наклона откоса выемки, угол наклона территории, прилегающей
к котловану, °; показатель ширины котлована р =B/ta-,
У — удельный вес грунта у ~Pg> кН/м3;
оа — угол между направлением активного давления грунта и нормали к стен-
ке (угол трения стенки), °;
363
угол между направлением пассивного давления грунта и нормалью к
стенке, °;
смещение стенки, м;
условия погружения (расположения) углов котлована под уровнем
дневной поверхности £ = iE^a-t
динамическая вязкость, Па с; коэффициент запаса прочности;
значение устойчивости при гидравлическом прорыве грунта;
коэффициент безопасности при пассивном давлении грунта;
механический КПД насосной установки;
угол наклона плоскости скольжения грунта от действия объема, оказы-
вающего влияние на массу грунта, находящегося в активном состоя-
нии,,0;
фактор пересчета для пассивного давления;
условия водопроницаемости двух слоев грунта;
показатель, характеризующий застройку \ —
кинематическая вязкость, м2 /с;
объемная плотность ipyiiTa, кН/м3;
плотность, г/м3 (т/м3); z
плотность во взвешенном состоянии, р = psr - pw, г/см3 (т/мэ);
плотность в сухом состоянии, г/см3 (т/м3);
стандартная плотность, г/см3 (т/м3) ;
плотность в естественном состоянии, г/см3 (т/м3)
плотность скелета, г/см3 (т/м3 );
плотность в насыщенном водой состоянии, г/см3 (т/м3);
плотность воды, г/смэ (т/м3);
нормальное напряжение, Н/см2;
прочность на срез, Н/см2;
потенциал;
угол внутреннего трения, °;
действующий угол внутреннего трения, °;
кажущийся угол внутреннего трения, °;
функциональное значение геометрии котлована.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
fJ| Abel, M.; Rerghoff, H.: Erfahrungen der
Anwendung von Schlitzwanden helm Tief-
bautcil eines Abwassei'pdmpwerkes. Ban- [14]
planting - Bautechnik 31 (1977)2
[2] Abramow, S. K.: Bciccbnung der Grund-
wasserabsenkungsanlagen in Baugruben, [15]
Schriftenreihe des Verlags Technik, Band
188
[3] Artfce, J.: Besonderheiten und mogliche An- [16]
wendungen des Injektionsbetonverfahrens.
S pezia Ibau - Mitt eilunge n, В er ichte a us Ttch -
nik und Okonomtc, Heft 2/1972. Heratis-
geber: VEB Spezialbaukombinat Magde- [17]
burg 1972
[4] A pel, F.' Tunnel mil Schildvortrieb. Dussel-
dorf: Werner-Verlag 1968 [IS]
[5] Bauakademic der DDR, VEB Typenprojck-
tierung: Stahlbeton-Spundbohkn, Typen-
e feme ntekata log 64-18 und Informations- [19}
katalog 64-19, Berlin 1964
[6] Bauakadcmte der DDR: Unlerirdischc [20]
Wandc (Vorschrift). Schriftenreihen der
Bauforschung, Reihe Ingenieur- und Ticf-
ban. Heft 51. Berlin: Ban in formation der [21]
DDR 1975
[7] Baumgarten, FL; Weizien, K: Konst ruktion
und Berne ssu ng unterirdischer Wandc Bau-
planung - Bautechnik 29 (1975) 3 [22]
[8] Behrendt, Die Wand-Sohle-Methode als
grundwasserschonende Ba u we ist Ticfbau,
Ingenieurbau und SlraBenbau 19 (1977) 8
[9] Beyer, H’.. Zur Re slim mu ng der Wasser-
durchlassigkeit von Kiesen und Sanden aus
der Kornverteilungskurve. Wasserwirtschaft
- Wassertechnik 14 (1964) 6
[10] Blum, FL: Bcitrag zur Berechnung von
Spundwandfangedammen. Berlin: Veriag [23]
Wilhelm Ernst &. Sohn 1944
[11] B/мт, FL: Betfrag zur Berechnung von Bohl-
werken. Die Bautechnik 27 (1950) 2 [24]
(12] Bobe, R,; Gobel, G' Grundbaustatik in
Lehrprogram men und Beispielen. Berlin:
VEB Verlag fur Bauwesen 1974 [25]
[13] Bosold, FL: Experime n telle U nt ersuch и ngen
zu den hydraulischen Verhaltnissen vol|-
kornntener Brannen und ihr praktischer [26J
Aussagewert. Wasserwirtschaft — Wasser-
techuik 15 (1965) 6
Bolling, W. AGBeitragzur ebenen Potential-
stromung unter Stauanlagcn. Die Bautech-
nik 46(1969)9
Briske, R.: Anwendung von Druckumtage-
rungen bei Baugruben umschtieBungen. Die
Bautechnik 35 (1958) 6
Brofl; u. e„- Schlitzwandherstellung in der
DDR — Berichte. Leipzig: Milteihrngcn der
Deutschen Bauakademie, Institut fur Inge-
nieur- undTiefbau, Heft 14/1964
Busch, K.F.; Buckner, L: Geohydraulik,
Leipzig: VEB Deutscher Verlag fur Grund-
stoffindustrie 1972
Buttner, FL: Neue Technik zur Herstellung
diinner horizon taler Jrtjektionssohlen. Die
Bautechnik 51 (1974) 2
Combe fort, H.: Bodeninjektionstechnik.
Wiesbaden/Berlin: Вauverlag GmbH 1969
Cambefort, H.: Bohrtethnik; Tief-, Griin-
dungs- und Erkundungsbohrungen. Wies-
baden/Berlin: Bauverlag GmbH 1964
C<?rd«, A.: Ra done lie Komplextech nolog ie
fiir den Bau von Versorguugsleitungen bei
bcengter Baufreiheit Bauplanung — Bau-
lechnik 27 (1973) 2
Cordes, A.: Entwick lung eines Grabenvet-
bauverfahrens als Grundlage fiir die Erar-
beitung einer rteuen Komplextechnologie
tnit vetbesserter Mechanisierung fiir den Bau
von Versorgungslei lunge n in Re konst ruk-
tions- und Erweiterungsgebieten der kom-
plexen Wohn- und IndustrieerschlicGung.
Dissertation, Hochschule fiir Bauwesen
Leipzig 1975
Dannernann, E,; Pilz, M,; Einsatz thrixotro-
per Suspensionen. Bauplanung — Bautech-
nik 30 (1976) 9
Dannetnann, E.; Piiz, M.; Zeller, B.: Schlitz-
wande aus Stahlbeionfertigteilen. Baupla-
nung - Bautechnik 32 (1978) 3
Davidenkoff, R. N.; Zur Berechnung des
hydraulischen Grtmdbruches. Die Wasser-
wirtschaft 46 (1956) 9
Davidenkoff, R. N.; Franke, Unier-
365
suchung der raumtichen Sickerstrbmung in
cine umspundeta Baugrube in offenen Ge-
wassern. Dre Bautechnik 42 (1965) 9
(27] Doroschkewitz, N. M.; u. a.: Osnottanija i
Fundamenty (Griindungen und Funda-
ments). Moskau: (4ochschu1vertag 1972
]28] Drager. G : Erfa h rungen bei der A usfiihrung
von Druckluftgriindungen. Bauplanung -
Bautechnik 31(1977)2
129] Dranikow, А. Л#.: Gidrogeologia (Hydro
geologic). Kiew; Hochschulvcrlag 1972
(30] Dupuit: Thcorettsche und praktischc Unter-
suchungen liber die Bewegung des Wassers
in durchliissigen Boden. Paris: (Etudes thio
retiques...) 1863
[31] Erhard, H.; Harsch, A.: Durchpressen groBe-
rer Stahlbetonquerschnitte dur ch einen
Damm. Bauplanung — Bautechnik 19 (1965)
11
[32] Eristaw, W. 5.; Proiswodstwo gidrotechni-
tscheskich rabot (Durchfuhrung hydrotech-
nischer Arbeiten). Moskau: Verlag fur Lite-
ratur des Bauwesens 1970
[33] Filachtow, A, l~; u. a,: Das Bauen von
Pumpstationen mit dem Vcrfahren „Wand
im Baugrund11. PromyJlennoe stroitel'stuo
i inlenernye soorufenija. Kiew 1975, Heft 3
[34] Finke, W„- Grundwasserabsenkung - Nadel-
fdter verfahrcn Spezialbau-Mitteitangen,
Rethe Brunnen- und Grundbau, Heft 4.
Herairsgeber: VEB Spezialbaukombinat
Magdeburg 1972
[35] Fischer, K.: Maschinensysteme fur Tiefbau-
prozesse — dargcstellt am Beispiel der ms-
schinellen Rohrverlegung. Dissertation,
Technische Hochschule Leipzig 1977
[36] Forme; tn, Z; Ebner, W.: Vorbereitung und
Durchfiihrung von Durchbrterungen. Bau-
planung - Bautechnik 32 (1978) 1
[37] Franke, E.: Oberblick liber den Entwick-
lungsstand der Erkenntnisse auf dem Ge-
biet der Elek tro-Osmose und einige neue
Sc hluflfol gerungen. Die Bautechnik 39
(J962)6und W
[38] FucAj, E.: Baugrube und Wasserbaltung.
3. Aufl. Berlin: VEB Verlag flir Bauwesen
1972
[39] Fuchs, E,: Ruhedruck roiligcr Erdstoffe.
Schriftenreihen der Bauforschung, Reihe
Ingenieur- und Tiefbau, Heft 53. Berlin:
В auin formation der DDR 1975
[40] Fuchs, E,; Kiengel, K. J.: Baugrund und Bo-
denmcchanik. 8. Aufl. Berlin: VEB Verlag
flir Bauwesen 1977
[41] Grundbau-Taschenbuch, Bd. I, 2. Aufl,
Berlin /Munchen: Vcriag Wilhelm Ernst &
Sohn 1966
[42] Grundbau-Taschenbuch, Bd. I, Ergan-
zungsband. В crlin/Muncheti/Diisse Worf:
Verlag Wilhelm Ernst & Sohn 1971
[43] Hantzschke, D.; Schmidt, H.: Durchorterung
groBerer Strecken flir einen Abwassersamm-
ler. Bauplanung — Bautechnik 20 (1966) 5
[44] Harke, H.: I ntensiviewing von TiefbaumaB-
nah men im Kraft werksbau, Bauplanung —
Bautechnik 30 (1976) 12
[45] ffertft, И; Arndts, E.: Theorie und Praxis der
Grundwasserabsenkung. Berlin/ Munchen/
Dusseldorf: Verlag Wilhelm Ernst & Sohn
1973
[46] Heyne, K.-H.t Planung und Durchfiihrung
von Tunnelbauten fur stadttecbnische Ver-
und Entsorgungskanale. Bauplanung - Bau-
technik 31(1977)2
[47] Hochschule fur Bauwesen Leipzig: Pfahl-
und Schlitzwande im Grund- und Wasser-
bau, Wissenschaftliche Zeitschrift der Hoch-
schule fur Bauwesen Leipzig 11 (1965) 4
[48] Hoesch AG: Die Stahlspundwand Hoesch.
6. Aufl. Dortmund 1965
[49] Ingenieurtaschenbuch Bauwesen, Bd. Ill,
Boden-Wasser—Verkehr. Leipzig: BSB
B. G. Teubner Veriagsgescllschaft 1965
[50] Jelinek, R.: Ober die Standsicherheit von
Fangcdammen. Vortrage der Baugrund-
tagung I960 in Frankfurt (Main), Deutsche
Gesellschaft fur Erd- und Grundbau e. V,
(51) Jelinek, R. ,* <Jstermayer, H.: Zur Berechnu n g
von Fangedammen und verankertrn Stiitz-
wanden. Die Bautechnik 44 (1967) 5
[52] Kittner, H4 Starke, W.; Wissef, D.: Wasser-
versorgung. 4. Aufl. Berlin: VEB Verlag fur
Bauwesen 1977
[53] Kezdi, A.; Marko, J.: Erdbauten - Stand-
sicherheit у nd Ent wasser ung. Dusseldorf:
Werner-Verlag 1969
[54] Kezdi, A,: Bodenmechanik, Bde. 1 und 2.
Berlin/Bud a pest: VEB Verlag fur Bauwe-
sen/Verlag der Ungarischen Akademie der
Wissenschaften 1964
[55] Kezdi, A,: Handbuch der Bodentnechanik,
Bde. 1 bis 4. Berlin/Budapcst: VEB Verlag
fur Bauwesen/Verlag der Ungarischen Aka-
demie der Wissenschaften 1969/1970/1973/
1976
[56] K/ewter, G: Versuche liber die Verteilung
des Erddruckes fiber die Wande ausgesteif-
ter Baugruben. Die Bautechnik 19 (1941) 29
[57] Knaupe, W..' Der hydraulische Grundbruch
an Baugrubenumschlicflungen in kohasions-
lusen Erdarien. Dissertation, Bauakademie
der DDR 1967
[58] Knaupe, W..* Neue Erkenntnisse hinsichtlich
366
der Verformungsbestandigkett der Locker-
gesteine gegeniiber Wir kungen des Sicker-
wassers. П. Hydraulischer Grundbruch an
BaugrubenumschlieGungcn in kohasions-
losen Erdarten. IV, Hydraulischer Grund-
bruchan Baugrnbenecken. Wasserwirtschaft
- Wassertechnik 18 (] 968) 4 und 11/12
[59J Knaupe, W,.* Hydraulischer Grundbruch
an Battgruben. Schriftenreihen der Baufor-
schung, Reihe In genie ur- und Ticfbau, Heft
15. Berlin: Deutsche Bauinformation 1968
[60] Knaupe, W.: Hyd raulische г Gru ndbruch und
Baugrubenaushub im schichtweise ge lager-
ten Untergrund. Wissenschaftliche Zeit-
schrift der Hochschule fur Bauwesen Leip-
zig, Heft 3/1972
[61] Knaupe, W. Hydraulischer Grundbruch an
BaugrubenumschlieBungen im schichtweise
gelagerten Baugrund. Bauplanung - Bau-
technik 26 (1972) 9
[62] Knaupe, ИС- Aushub umschlossener Bau-
gruben unter besonderer Beriicksichtigung
des hydrauliscben Grundbruchs im schichl-
weise gelagerten Baugrund. Dissertation B,
Hochschule fiir Bauwesen Leipzig 1972
[63] Knaupe, W..’ Aushub umschlossener Bau-
gruben im schichtweise gelagerten Baugrund
bei Wasserandrang. Bauplanung - Bautech-
nik 27(1973) 10
[64] Килыре, W.; Erdbau. 3. Aufl. Berlin: VEB
Verlag fiir Bauwesen 1977
[65] Kodtert, W.T u. a.: Neuperm AP afs injek-
tionsmitlel zur Verfest igung und Abdich-
tung des Untergrundes, Neue Bergbautech-
nik6(1976)9
[66] Kopeiko, IV. J.. Der Bau unterirdischer An-
lagen im Verfahren „Wand im Baugrund’*.
Osnowanija fundament? i median ika grun-
tow. Moskau 1975, Hefl 3
[67] Kosorukowa, I. 1.: Swainye raboly (Pfahl-
arbeiten). Moskau: Hochsebu I verlag 1974
[68] KrertcAmar, M.: Empfchlungcn fiir die Was-
serhaltung durth Druckluft bei Tunnelbau
ten in Lockergestcincn. Die Bautechnik 49
(1972)9
[69] Krey, H.: Erddruck, Erdwiderstand und
Tragfahigkeit des Baugrundes. 5, Aufl. Ber-
lin: Verlag Wilhelm Ernst & Sohn 1936
[70] Krings, J.: Der Verbau im Baukasten-
System. Die Bautechnik S3 (1976) 11
[71] /Clipper, W.; Vnterirdischet Rohnert rieb
und KJeintunnelbau mit Laser orien tie rung.
Bauinformation Wtssertschaft und Technik
20 (1977) 1, Bauakademte der DDR. Bau-
information
[72] Lackner: Berechnung mehriach gestiitzter
SpundwSnde. 3. Aufl. Berlin: Verlag Wil-
helm Ernst & Sohn 1950
[73] Lamp{, H.: Zvsammenhang zwischen der
Koriizusammensetzung und physikalischen
Eigenschaften des Bodens. Vtziigyt Kbsle-
menyek, Budapest 1955, Hefte 3 und 4
[74] Lanzendorf, G.: tjnterirdiscbe Bauweisen.
Bauplanung - Bautechnik 25 (i 971) 6
[75] Lehmann. fL: Die Verteiking des Erd-
an griffs an einer oben drehbar gelagerten
Wand. Die Bautechnik 20 (1942) 31/32
[76] Louda, K.: Praktische Anwendung der
Thiemschen Gleichung mit einer neuen Be-
ziehung fiir J! bei Pumpversuchen in der
Tschechoslowakischen Republik. Wasser-
wirtschaft - Wassertechnik 9 (1959) 4
[77] Ludewig, M>: Die Giiltigkeitsgrenzen des
Darcyschen Gesetzes bei Sanden und Kie-
sen. Wasscrwirtschaft - Wassertechnik 15
(1965) 12
[78] Mandel, G,; Wagner, W.: Verkehrs-Tunnel-
bau, Bde. 1 und 2. Berlin/Munchen: Verlag
Wilhelm Ernst & Sohn 1968
[79] Markgraf, H,; Heise, W.; Klose, D.: Abdtch-
(ung von Talsperren im Lockergebirge mit
Hilfe von unterydischen Dichtungswanden
in der Deutschen Demokra tisc hen Republik.
Neue Bergbautechnik 3 (1973) 4
[80] Meister, K.; u. a.: Taschenbuch Verkehrs-
und Tiefbau. Bd. 1, Erd- und Grundbau.
Berlin: VEB Verlag fiir Bauwesen 1974
[81] Mentjukow, W. P.: Semljanye raboty na
stroitelstwe magjstralnych truboprowodow
(Erdarbeiten beim Bau von Rohrleitungs-
magistralen). Moskau: Verlag „Nedra“
1972
[82] Ministerrat der DDR. Ministerium fiir Bau-
wesen, Staatlichc Bauaufsicht - Vorscbrift
16/73. Grabenverbau mit vorgefertigten
Stahlelepienten — System VTK Leipzig.
Berlin 1974
[83] Ministerium fiir Bauwesen: Verfiigung uber
die Bilanzierung von Rammarbeiten, die Zu-
lassung von Betrieben fiir Rammarbeilen
und die Wiedergewinnung von Stahlpro-
filen und -spundbohlen vom 28. 7. 1976.
Verfiigungen undMitteilungen. Berlin 1976,
Nr. 6
[84] Miiller, F. A.: Bau von Sammlern und Sam-
melka n ale n mit T unnelschilden. Baupla nung
- Bautechnik 28 (1974) 4
[85] Myslivec, A.: Dnosnost zemin ne due sta-
vebni j$my za prusaku vody (Die Tragfahig-
keit des Erdstoffes der Baugrubensohfe bei
Wasserdurchstromung). Praha: Inienyrski
stavby 12 (1964) 3
[86] Nahrgang, G.: Zur Theorie des vollkomme-
nen und unvollkommenen Bnmnens. Berlin/
367
Got tinge n / Heide I berg: Spri nger- Ve Hag
1954
[87] Nendza, H.; Ulrichs, K, R.; Weiler, A.: Un-
tersuchungen uber cine Boden gefri erung im
stark durchstromten Untergrund. Die Bau-
technik S3 (1976) 7
(88] Neumann, R.: Geologic fiir Rautngenieure.
В er I in/Munchen: Verlag Wilhelm Ernst &
Sohn 1964
[89] Oelberg, G.; Mitdk, IL: Bcitiag zu den Fra-
gen der Boden stabilitat bei schm'ilen Rohr-
graben. Tagungsmaterial der VIET. I nt era a-
t ionale n Konferenz Mechanisicrung im Erd-
bau, Dresden 1973
(90] Oelberg, G.; Mitok, B.: EmfluO der schetn-
baren Kohasion auf die Standsicherheit von
Baugrubenwanden. Bauplanung - Bautech-
nik 29(1975) 6
(91] Oelberg, G.; Mildk, B.: Verm inderung des
Erddrucks bet Anwendung des Vaku umver-
fa hrens. Bauplanung - Bautechnik 30
(1976)3
(92] Qhnesarge, IL; Ruble, E.Reche nprogram m
„Gelandebruch11. Bauplanung - Bautechnik
26(1972)9
(93] Olios, G- Model i n vestiga lions into Seepage.
Acta Techn, Hung, 49, Fase 3-4,327 (1964)
(94] Paul, O- Der raumliche Erdwiderstand vor
eingespannten Masten. Leipzig: MitteHun-
gen der Deutschen Bauakademie, Institut
fiir Ingenieur- und Tiefbau, Heft 2/1966
[95J Petereit, IL: Teilweise mechanisierte Gra-
ben ver bau ver fa h re n fiir statidfeste Erd-
stoffe. Leipzig: Mitteilungen der Deutschen
Bauakademie, Institut fiir Ingenieur- und
Tiefbau, Heft 12/1966
[96] Plagemann, W.; Langner, ИЛ: Die Griindung
von Bauwerken, Toil 1 und Teil 2, Leipzig:
BSB B. G. Teubner Verlagsgesellschaft
1970/1973
[97] Plehm, H.; Becher, G,: Einheimische Tone
fiir Stutzflussigkeiten. Schriftenreihen der
Bauforschung, Reihe Ingenieur- und Tief-
bau, Heft 21. Berlin: Deutsche Bauinfor-
mation 1968
[98] Pohl, R.; Sehiel, G,: Erfahrungen mit der
Durchorterung von Stahlbetonrohren. Bau-
planung - Bautechnik 27 (1973) 10
[99] PolubarinatvalRachina: Die Theorie der
Grund w asset be wegung. Princeton: Univer-
sity Press 1962
[100] Porschmann, IL: Bautechnische Berech-
nungstafeln fiir Ingenieure. 12. Aufl. Leip-
zig: BSB B. G. Teubner Verlagsgesellschaft
1975
[101] Putzmann, R.: Horizontal-PreB-Bohr-An-
lage im Ein sat z. Bauplanung - Bautechnik
23(1969) I
[102] Putzmann, R.; Lang, C.; r Heintze, A.
Durchpressungen, Durchboh rungen, Durch-
orterungen, Spezialbau-Mittcilungen, Reihe
Brannen- und Grundbau, Heft 12. Heraus-
geber: VEB Spezialbaukombinat Magde-
burg 1971
[103] Randolf, R.: Tiefbau-Taschenbiicher fiir das
Bauwesen, Bd. IL Berlin: VEB Verlag fiir
Bauwesen 1967
(104] Raitay, W.: Schlitz- und Pfahlwande - Lite-
raturstudie, Leipzig: Mitteilungcn der Deut-
schen Bauakademie, Institut fiir Ingenieur-
und Tiefbau, Heft 12/1964
[105] Reeck, H.t Zur oahe rungsweisen Berech-
nung von Rammtragerbohlwanden. Baupla-
nung - Bautechnik 30 (1976) 9
[106] Richter, L.: Berechnung wasserhaltender
MaBnahmen fiir Objekte des Tiefbaus. Bau-
planung— Bautechnik 30 (1976) 4
[107] Rossmski, B.: Fundamenty - projektowanie
i wykonawstwo (Fundaments - Proje к tie-
rung und Ausfiihrung). Warszawa: Verlag
Arkady 1976'
[108] Ruffani, E.; Luschtinetz., R.: Baugruben-
sicherung fureine extrem tiefe Prcssengrube.
Bauplanung - Bautechnik 26 (1972) 9
[ 109] Ruffani, E.; Entwicklung der Rammarbeiten
tn der DDR. Bauplanung — Bautechnik 31
(1977)2
[110] Rhckert, H.: Grundwasserabsenkung nach
dem Vakuumverfahren. Leipzig: Mitleilun-
gen der Deutschen Bauakademie, Institut
fiir Ingenieur- und Tiefbau, Heft 3/1965
[111] Riickert, HKarl, H.; Micklisch, A.: Bemes-
sung des Misch filters bei Bauwerksdr£nagen.
Bauplanung - Bautechnik 30 (1976) 4
[112] Sctsj, Rr; Schlegel, P,; Krafscheck, L.: Oko-
nomische Verwendung von Stahlrammpro-
fifen dutch Wiedergewinnung. Bauplanung —
Bautechnik 31 (1977) 2
[113] -Schaad, H',: Praktische Anwendung tier
Elektro-Osmose im Gebiete des Grund-
baues. Die Bautechnik 35 (1958) 6
[114] Schaef, Wtderstandsgcseiz fiir grob-
kornige Schutt ungen in Abhangigkeit von
MaterialgroBen. Dissertation, -TV Dresden
1963
[115] Schenck, W,; Anwendung derSchildbauweisc
bei neuze it lichen Verkehrsttinneln. Die Bau-
technik 45 (1968)6
[116] Scheitza, D.; Pahnke, G.: Rammarbeiten.
Schriftenreihen der Bauforschung, Reihe
Ingenieur- und Tiefbau, Heft 32, Berlin:
Deutsche Bauinfurmation 1970
[H7] Sehiel, G.: Neues Hebezeug fiir Durchorte-
368
rungsbaugruben. Bauplanung — Bautechnik
30(1976)9
[US) Schilde, F: В tit rage zti elektrochemischen
Baugrundverbesserungcn. Dissertation,
Hochschule fur Bauwesen Leipzig 1974
[119] Schleicher, Et: Zur Frage der Griindung von
Bauwerken auf Feinsanden. Bauplanung -
Bautechnik 6 (1952) 10
[12Q] Schleicher, F.; Taschenbuch fur В autoge-
nic u re, 1. und 2. Band, Berlin/Gottingen/
Heidelberg: Springer-Verlag 1955
[121] Schokliisch, A, Der Grundbau. 2. Aufl.
Wien: Springer-Verlag 1952
[122] Schrdler, K.: Zur Beredinung des Vertikal-
brunnens. Wissenschaftliche Zeitschrift der
Hochschule ftir Bauwesen Leipzig, Heft
3/1967
[123] Schubirt, K.: Boschungen, Damme - Hal-
den ~ Kippen. Leipzig: VEB Deutschcr Ver-
lag fur Grundstoffindustrie 1972
[124] Schulz, E.: Kastenfangedammc bus Stahl-
spundbohlen; Projektierung und Ausfiih-
rung. Bauplanung - Bautechnik 20 (1966) 3
[125] Seniko, M.: Der zeitliche Ablaut des
Schwimmsandaufbruches und der EinfluB
der geometrischen Anordnung der Baugru-
benumschlteBungen auf das kritischc Ge-
falle. Dissertation, TH Karlsruhe 1961
[126] Skhardt, TV.; Das Fassungsvermogen von
Rohrbrunnen. Berlin: Springer-Verlag 1928
[127] Srnorvdiriowa, M. L: Sprawotschnik po
obschtschestroitelnym rabotam — osno-
wanija i fundamenty (Handbuch der allge-
meinen Bauarbeiten — Griindungen und
Fundamente). Moskau: Banverlag 1974
[128] Starke, P.: Bcrechnung von Tragerbohl-
wanden in Boden ohne Kohasion. Die Bau-
technik 51 (1974) 8
[129] Striegler, H'./ Grundbau-Lehrbuch, Teil 1.
Dusseldorf: Werner-Verlag 1967
[130] Striegler, W.; Werner, D,: Dammbau in
Thcorie und Praxis. Berlin: VEB Verlag fur
Bauwesen 1969
[131] Slriegler, TV.; TV'erner, /),_ Erdstoffverdich-
tung. Berlin: VEB Verlag fur Bauwesen
1973
[132] Szechy, K.; Der Grundbau, 2. Bd., 1. Teil.
Die Baugrube, UmschlieSung und Wasser-
haltung. Wien/New York: Springer-Verlag
1965
[133] Szechy. K,: Tunqclbau. Wien/New York:
Springer-Verlag 1969
[134] Teschke, TV.: Beitrag zur Grundwasserab-
senkung bei linienformigen Bauwerken.
Dissertation, Hochschule fur Bauwesen
Leipzig 1971
[135] Teschk?, W.; Die Grund wasser absenkung
mit Brunnen bei linienformigen Bauwerken
endlicher Linge. Wissenschaftliche Zeit-
schrift der Hochschule fur Bauwesen Leip-
zig, Heft 3/1972
[136] Terzaghi, K.; Peck, R,: Die Bodemncchantk
in der Bauprakis. Berltn/Gottingen/Hcidel-
berg: Springer-Verlag 1961
[137] Thiem, A.: Bninnenergiebigkett. Journal
fur Gas und Wasser 1876
[138] Tupel, TV..* Grundwasserabsenkung-Gravi-
tations verfahren. Spezialbau -Mil tei lu nge n,
Reihe Brunnen- und Grundbau, Heft 3. Her-
ausgeber: VEB Spezislbaukombinat Magde-
burg 1969
[139] Tschebotarioff, G. P.: Soil mechanics, foun-
dations and earth structures. New York/To-
ronlo/London: McGraw Hilt 1951
[140] Tschugajew, R. R.: Podsemny konlur gidro-
technitscheskich soorushenij (Der vnter-
jrdische UmriB von Wasserbauten). Mos-
kau/Leningrad: Staallicher Energie-Verlag
1962
[141] VEB Autobahnbaukombinat: Richtlinie —
MaBnahmen zur Skherung und Sanierung
von Lockergesteinsboschungen an Auto-
bahnen (Boschungsrichdinie). Magdeburg
1973
[142] VEB Baugrund Berlin: Technische Richt-
linie Nr. 2.4.6. — 1, Allgemeine Beziehun-
gen fur Scherfestigkeit und Zusammen-
druckbarkeit. Berlin 1974
[143] VEB Baugrund Berlin: Technische Richt-
linie Nr. 2.4, 1—5, Standsicherheit der Ein-
zelboschungen und Boschungssysteme von
Lockergesteinen, 1. Nachtrag. Berlin 1975
1144] VEB Bau- und Montagekombinat Chemie:
Richtlinie R1L L8-, BL 1, Tiefbau-Bau-
werksdranung, Halle (Saate) 1975
[145] VEB Bau- und Moniagekombinat Stid:
Werkstandard BSS 8-070, Baustellcnein-
richtung — offene Wasscrhaltung. Leipzig
1973
[146] VEB Kombinat Tiefbau Berlin: Werkstan-
dard ITB-025, Trockenhaltung von Ban-
gui ben. Berlin 1974
[147] VEB Projektierung Wasserwirtschaft Halle
(Saale). Werkstandards: WAPRO 4.04.
BL 3: Nachweis der Bestandigkeit von Erd-
stoffen gegeniiber der Einwirkung der Sik-
kerwasserstromung - Kentaklerosion
WAPRO 4Л0. Bl. 1 und 2: Nachweis der
Standsicherheit der Boschung und der Griin-
dung von Staudammen. Halle (Saale) 1969
WAPRO 8.01. BL 1 bis 3: Bern ess vng3-
grundtagen fur Brunnen von GWA-Anlagen
WAPRO 8.05. Bl. 1 bis 3: Hydraulischer
Grundbruch. Halle (Saale) 1969/1973
369
(148] Villard, К-H.; Worse hat, R: Grutidwasser-
absenkung an umspundeten Baugruben.
Bauplanung- Bautechnik 26 (1972) 4
(149] Wagenbrarh, B,; Beit rag zur Bestimmung
der GroBe der Kapillarkohssion nichtbindi-
ger Boden. Dissertation, Technische Univer-
sitat Dresden 1970
(150] Wegner, R; Neumann, H.-J.: Berechnung
von Baugrubenausste Hungen nach der Ber-
liner Bauv/eise. В ftuplanung—Bautechnik 17
(1963)8
(151] WefewH G.; Macke, H.: Erfahntngen mit
dem Horizontal-PreBbahrverfahren. Bau-
planung - Bautechnik 24 (1970) 6
[152] WdertsA/, G.: Vortrieb von Rohrteitungen
mit dem Wirbelkammerverfahren. Baupla-
nung — Bautechnik 26 (1972) 9
(153] Banchar, R,.- Probleme der Wasserhaltung
von Baugruben mit wasserdichten Umschlic-
Bungsw3nden. Dissertation, Hochschule fiir
Bauwesen Leipzig 1971
(154] Weber, H.. Die Reichweite von Grund-
wasserabsenkungen mittels Rohrbnmnen.
Berlin: Springer-Verfag 1928
[155] Wechmartn, A.: Hydraulik, 3. Aufl. Berlin:
VEB Verlag fiir. Bauwesen 1966
(156) Weifl, F: Die Standfestigkeit fliissigkeits-
gestutzter Erdwande. Bauingenieur-Ргахк,
Heft 70. Berlin/Munchen: Verlag Wilhelm
Ernst & Sohn 1967
[157] Weiflenbach, A.: Der Erdwiderstand von
schmalcn Druckflachen. Die Bautechnik 39
(1962)6
[158] Weifienbaeh, A.: Empfehlungen des Ar-
beitsk raises „Baugrubcn“ der Deutsche n
Gesellschaft fiir. Erd- und Grundbau e. V.
Die Bautechnik 53 (1976) 9 und 10
[159] Weiflenbach, A.: Baugruben
Tell I - Konstruktion und Bauausfiihrung
Teil II - Bemessungsgrundlagen
Teil III - Brrechnungsverfahren
Berlin/Miincbcn/Dilsseldorf: Verlag Wil-
helm Ernst & Sohn 1975 und 1977
[160] We/zren, K.: Unterirdische Wan de - Her-
stellungsverfahren und Anwendungsbei-
spiele. Schriftenreihen der Bauforschung,
Reihe Ingenieur- und Tiefbau, Heft 8.
Berlin: Deutsche Bauinformation 1968
[161] Wdtim, K.: EinfluB der Tori suspension auf
die Mantel- bzw. Wandreibung bei Griin-
dungskorpern. Bauplanung - Bautechnik 27
(1973)11
[162] Winfcfer, M.t Anwendung des Schifdvor-
tricbes. Schriftenreihen der Bauforschung,
Reihe Ingenieur- und Tiefbau, Heft 11.
Berlin: Deutsche Battinfotmation 1968
[163] Wiese, H: Ausfiihrung einer Etmo-Dich-
tungswand im Staubereich der Donaustufe
Obe retch ingen. Die Bautechnik 40 (1963)
10
[164] Woi/е/, W? Stahlbctonfertigleile im Grund-
und Wasserbau, Bd. 2. Berlin: VEB Verlag
fiir Bauwesen 1968
[165] Zaspel, C.: Hcrstdlung der Fundamente
der Schmidtstedter Briicke im Messervor-
triebsverfahren. Bauplanung - Bautechnik
30(1976)9
[166] Zctwhfar, W.; Schellin, W.-tL-Gesch fosse ne
Bauweise fiir GrundstiicksanschluBkanale,
Tiefbau-Ingenieurbau-StraBenbau IB
(1976)12
[167] Zirzow, E..J Verbund bet unter Suspension
betonierten Griindungskorpem aus Stahl-
beten. В aupl anting- Bautechnik 27 (1973) 1
[168] Zytowitsch, N. A.: Mechanika Gruntow
(Bodenmechanik). Hochschulverlag, Mos-
kau 1973
(169] Ministerrat der DDR, Ministerium fur Bau-
wesen, Staatiiche Bauaufsichi - Vorschrift
63/79, Tonsuspension fiir die Fiiissigktits-
stiitzung. Berlin 1979
Zusanunemtelhmg wichflger Standards (TGL) der
DDR ffir das Hers fallen von Baugruben
[201] TGL 10684: Bauzeichnungcn
/09; Sinnbilder fiir Baustelleneinrichtungs-
plane. Ausg.6.70
[202] TGL 10698: Entwasserung von Grund-
stricken
/01: Allgemcine Bcstimmungen, bautech-
ntsche Forderungen. Ausg. 2.70
/03: Anordnung. Bau und Betricb der An-
lagen, Ausg. 12.69
/04: Berechnung der Rohrleitungen. Ausg.
4.62
[203] TGL 11456: Baugrunduntorsuchungen;
Bohr- und Schiirfarbeiten, Erd- und Wasser-
probenahme. Ausg. 2.63
[204] TGL 11457: Baugrunduntersuchungen;
Urn fang und Auswahl von Baugrundaut-
schliissen. Ausg. 6-7 i
[205] TGL 11458: Baugrunduntersuchungen
/01: Allgemetne Grundlagen. Ausg. 10.72
/02: Auswertuog der baugrundmechani-
schen Untcrsuchtmg. Ausg. 10.72
[206] TGL 11459: Baugrundmechanik; Formel-
zeichen. Ausg. 12.68
[207] TGL 11460: Baugrundtnechanik: Bestim-
tnung der Baugrundarten
/02: Lockergestein. Ausg. 10.72
[208] TGL 11464: Erdstatische Berechnungsvcr-
fahren
/01: Setzungen, Ausg* 10.72
370
/02: Tragkraft von Flachenfundamenten.
Ausg. 10.72
/03: Verfahren zur Berechnung des Erd-
druckes. Ausg. 10.79
/04: Erddruck auf Stutzwanden. Ausg. 7.80
[209] TGL 11466: Bauwerksgriindungen; Frost-
sichere (Jberdeckungshohc. Entwurf 7.80
[210] TG L ! 1468: Baugru nduntersuchung; Ze ich-
nerische Darsleitung von Baugru ndauf-
schlusstn. Ausg. 10.72
[211] TGL 11482: Erdarbeiten
/01: Allgemeine Forderungen. Ausg. 2.83
/021 Zusatzliche Forderungen im Wasser-
bau. Ausg. 8.77
/04: Zusatzliche Forderungen im Hoch-,
Tief- und Industriebau Ausg. 9.77
/05: Sicbemng und Behandlung von kul tur-
fahi gem Boden. Ausg. 7.73
/06: Mechanische Verdichtung von Erd-
stoffert. Ausg. 6.72
/07: Zusatzliche Forde rungen fiir Leitungs-
graben. Entwurf 4.81
[212] TGL 12098: Anlagen des StraBenverkehrs;
Entwasserung von StraBen. Ausg. 4,78
[213] TGL 12099: StraBenkonstruktion
/02: Grilndung, untere Tragschicht
[214] TGL 20286: Meliorationen, Drananlagen
/01: Grundsatze fur die Projektierung.
Ausg. 12.76
/02; Projektierung und Bemessung der
Rohrdranung. Ausg. 12/76
/04: Bauausfiihrung. Ausg. 12.76
[215] TGL 22737: Baugrubenverkleidung und
Fangedamme. Ausg. 3.70 (in Oberarbei-
tung, ncu TGL 35983)
[216] TGL 22738/01: Trockenhaltung von Bau-
gru ben; Wasserhaltungen. Ausg. 12.70 (in
Uberarbeitung)
[217] TGL 22742: Ingenieurbiologische Anlagen
/01: Begriffe und allgemeine Grundsatze.
Ausg. 5.72
/02: Oberflachenstabilisienmg. Ausg. 5.72
/03: Ttefwirkende Stabilisierungen. Ausg.
5.72
[218] TGL 22835/01: Drucklose Rohre und
Formstucke fiir die Abwasserabteitung; Ka-
nairsationssteinzcug. Technische Lieferbe-
dingungen. Ausg. 12.74
[219] TGL 23425: Versorgungsleitungen
/01: Ano rd nu ng unterirdi scher Lcitungcn
in geschlossenen Ortslagen. Ausg. 9.70
/02: Wambander. Ausg. 1.74
[220] TGL23864: Hydrogeologie; Pumpversuche
Ausg. 4,73
[221] TGL 24892: Abwasserableitung — Gnind-
s3tze fiir Phnung, Projektierung, Bau und
Betrieb
/09: Herstellung erdverlegter Rohrleitun-
gen. Ausg. 6.78
/10: Priifung erdverlegtet Rohrieitungen.
Ausg. 6.78
[222] TGL 28721: FluBdeiche
/01: Allgemeine For derun gen fiir die Vor-
. bercitung. Ausg. 5.79
/02: Konstruktive Gestaltung. Ausg. 5.79
/0 3: Bau, 1 nstandha I tung und Oberwachung.
Ausg. 5.79
[223] TGL 29315: Keramische Dranrohre
/01: Techn ische Lieferbedi ngungen, Prii-
fung. Ausg, 3,77
[224] TGL 30422: Gesundhetis- und Arbeits-
schutz, Brandschutz
/01: Erdbewegungs- und Gewinnungsma-
schinen; Begriffe fiir Bagger. Ausg. 2.79
/03: Arbeitsschutz und brandschutzgerech-
tes Verhalten beim Einsatz von Bag-
gem. Ausg. 2.79
/04: Sicherheilsteehnische Forderungen fur
Bagger. Ausg. 2.79
[225] TGL 30434: Gesundheits- und Arbeits-
schutz, Brandschutz.* Erdarbeiten und Ver-
legen von Lei tungen. Entwurf 3.81
[226] TGL 30886: Gesundheits- und Arbeits-
schutz, Brandschutz. Taucherausriistung und
-hilfseinrichtungen; allgemeine Festlegun-
gen. Ausg. 6.79
[227] TGL 32274: Lastannahmen fiir Bauwerke
/01: Grundsatze. Ausg. 12.76
/02: Narine igenlastcn und Reibungswin-
kel. Ausg. 5.79'
/03: Verkehrslasten. Ausg. 12,76
/05: Schneelasten. Ausg. 12.76
/07: Windtasten. Ausg. 12.76
[228] TGL 34759/01: Unterirdischer Rohrvor-
trieb; Begriffe, allgemeine Forderungen.
Ausg. 11.78
[229] TGL 35761; Bauwerksabdichrung
[230] TGL 35983: Sicherung von Baugru ben und
Leitungsgraben
/01: Allgemeine Forderungen. Ausg. 7.81
/02: Boschung. Entwurf 7.80
/07: Verbau mit groBflachigen Elementen.
Entwurf 2.81
[231] TGL 36873: Meliorationen, Grabenbau
/01: Grundsatze fiir di: Projektierung,
Ausg. 12.79
/02: Grabenbemessung. Ausg. 12.79
/03: Wchre der Klasse III, Ausg. 12.79
/04: DurchlSsse und Diiker. Ausg. 5.80
/07; Grundsatze der Instandhaltung.
[232] TGL 190-354: Gaswrrtscbaft; Gasfortlei-
tung und -verteilungiGasleitungen
/02: Rohrgraben. Ausg. 3.80
371
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие к первому изданию.........................-............. 3
Предисловие ко второму изданию...................................... 4
Глава I. Основные положения теории и расчетов..... ................. 5
1.1. Назначение котлованов ......................................... 5
1.2. Основные размеры котлованов ................................... 9
1.3. Разбивка котлованов........................................ 12
1.4. Основные положения статического равновесия грунта............. 15
Глава 2. Котлованы с откосами...................................... 38
2.1. Область применения и основные положения..................... 38
2.2. Способы крепления откосов..................................... 41
2.3. Статическая устойчивость откосов котлованов .................. 49
Глава 3. Простые и комбинированные конструкции крепления стенок котло-
ванов и траншей.................................................... 63
3.1. Крепление стенок котлованов горизонтальными элементами........ 64
3.2. Варианты вертикального крепления стенок котлованов............ 75
3.3. Подпорные стенки с заполнением...............-................ 79
3,4. Комбинированные конструкции стенок............................108
3.5. Специальные конструкции крепления траншей.....................109
Глава 4- Шпунтовые стенки..........................................118
4.1. Виды шпунтовых стенок . ......................................118
4.2. Обеспечение жесткости стенок и их заанкерирование в грунт.....124
4.3. Расчет шпунтовых стенок ..................................... . 133
4.4. Методы погружения шпунтовых элементов ...................... 150
4.5. Методы извлечения шпунтовых элементов ....................... 163
Глава 5. Подземные стены в грунте................................ 166
5.1. Конструкции подземных стен ................................. 166
5.2. Технология сооружения подземных стенок........................171
5.3. Глинистые суспензии...........................................176
5.4. Укладка бетонной смеси...................................... 178
5.5. Основные положения расчета....................................180
Глава 6. Перемычки.................................................184
6.1. Виды перемычек................................................184
6.2. Грунтовые перемычки...........................................186
6.3 Ряжевые перемычки..............................................186
6.4. Ячеистые перемычки.......................................... 190
6.5. Расчет перемычек ........................................... 192
Глава 7. Основные вопросы водопонижения............................196
7.1. Водопонижение.................................................196
7.2. Движение грунтовых вод........................................202
7.3. Гидравлический прорыв грунта..................................221
Глава 8. Водоотлив из котлованов и траншей.........................240
8.1. Области применения............................................240
8.2. Водосборные канавы............................................242
8.3. Измерение расхода воды...................................... 248
8.4. Устройства для сбора воды....................................,252
8.5. Фильтрующие материалы.........................................255
8.6. Несущая способность основания котлована.......................258
8.7. Насосы, применяемые для открытого водоотлива .................265
8.8. Расчет водопритока ...........................................270
Глава 9. Осушение котлованов и траншей водопонизительными установками . 288
9.1. Виды закрытого водопонижения..................................288
9.2. Гравитационный способ водопонижения...........................288
9.3. Вакуумный способ водопонижения................................310
9.4. Электроосмотический способ водопонижения......................321
9.5. Негативные последствия применения водопонижения...............327
Глава Ю. Защита котлованов от грунтовых вод...................... 328
10.1, Устройство водонепроницаемых стенок .........................328
10.2. Инъекционные стенки .........................................330
10.3. Уплотнение основания котлованов............................. . 334
10.4. Замораживание грунта.........................................342
10.5. Применение сжатого воздуха...................................345
372
Глава 11. Устройство подземных коммуникаций.....................347
11.1. Продавливание.............................................348
11,2, Горизонтальное бурение ...................................349
11.3. Продавливание оболочек. ..................................352
11.4. Метод ножевого прорезывания породы........................356
11.5. Щитовая проходка..........................................359
Терминология и условные обозначения.............................362
Список литературы...............................................365
Научное издание
Кнаупе Вернер
УСТРОЙСТВО КОТЛОВАНОВ И ВОДОПОНИЖЕНИЕ
Редакция переводных издании
Зав. редакцией В.//.Суханов
Редактор И. А. Савина
Технический редактор И.В. Берина
Корректор Я.С Сафронова
Операторы З.МЛукъянчикое<ц ТЛ.Сандрацкая
НЕ
Подписано в печать 11.11.88 г. Формат 60x90 1/16 Бумага офсетная № 1
Печать офсетная Уел. печ. л, 23,5 Усл. кр.-отт 23,5 Уч.-изд. л. 24,7
Тираж 5000 экз. Изд, № А VIII—2000 Заказ 749. Цена 4 р. 20 к,
Стройиздат, 101442. Москва, Каляевская, 23а
Тульская типография Союзполиграфпрома при Государственном комитете
СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли
300600, ГСП,, г. Тула, пр, Ленина, 109
Ст рой из дат готовит к выпуску в 1989—1990 гг.
справочную литературу
Экономика строительства
Экономика строительства.
Кооперативное и индивидуальное жилищное строительство.
2-е изд.
Экономика — строителю.
Молодежные жилищные комплексы (организационно-правовые
вопросы).
Со равочник за казчм к а- эастрой щи к а.
Справочник по материально-техническому снабжению и комп-
лектации строительства* 2-е изд.
Строительные материалы
Технология и безопасность труда при лесопилении и изготовлении
деревянных конструкций и изделий.
Производство сборных железобетонных изделий. Справочник
строителя. 2-е изд.
Изделия и материалы для индивидуального строительства.
Перевозка и складирование строительных материалов. Справоч-
ник строителя.
Инженерное оборудование зданий
Конструкции водопроводно-канализационных сооружений.
Внутренние санитарно-технические устройства. В 3 ч. 4-е изд.
Ч. 1. Отопление.
Ч. 2. Водопровод и канализация.
Ч. 3. Вентиляция и кондиционирование воздуха. В2кн.
Энергосбережение в системах теплоснабжения, вентиляции и
кондиционирования воздуха.
Управление системами кондиционирования микроклимата.