Обеспечение устойчивости стенок выемок, искусственное закрепление грунтов

Для уменьшения объемов земляных работ, а также в случаях, когда разработка выемок с откосами невозможна из-за стесненности площадки или наличия грунтовых вод, устраивают выемки с вертикальными стенками.

Временное крепление стенок земляного сооружения может быть выполнено в виде деревянного или металлического шпунта, деревянных щитов с опорными стойками, щитов с распорными рамами, с подкосным креплением стенок и ряда других конструкций (рис. 2.6).

Шпунтовое ограждение является наиболее надежным, но и самым дорогим из существующих способов. Применяют шпунт при разработке выемок в водонасыщенных грунтах вблизи существующих зданий. Шпунт, металлический или деревянный, забивают в грунт на глубину, превышающую глубину будущего котлована на 2...3 м (величина расчетная). Шпунт забивают до разработки выемки, чем обеспечивают устойчивое и естественное состояние грунта за пределами выемки.

В качестве металлических стоек используют прокатные профили (швеллер, двутавр, трубы) или специально выпускаемый прокат. Шпунт может быть сплошным в виде единой стенки. Если шпунт прерывистый, то между стойками по мере отрывки котлована забивают деревянную забирку – щиты, отдельные доски, брусья.

Распорное крепление применимо для узких траншей глубиной 2…4 м в сухих и маловлажных грунтах и состоит из вертикальных стоек, горизонтальных досок, дощатых (сплошных или несплошных) щитов и распорок, прижимающих стойки и щиты к стенкам траншеи. Стойки, как и распорки, устанавливают по длине траншеи через 1,5...1,7 м одна от другой и по высоте через 0,6…0,7 м.

В связных грунтах естественной влажности и глубиной до 3 м горизонтальную забирку устраивают из досок толщиной 5см с прозорами на ширину доски, при большей глубине забирку делают сплошной из щитов. Распорное крепление трудоемко и затрудняет производство работ в траншее, особенно при прокладке коммуникаций, поэтому если позволяют условия, то применяют другие виды креплений.

Рис. 2.6. Способы крепления стенок выемок:

а) подкосное; б) анкерное; в) консольное; г) консольное из буронабивных свай
или «стены в грунте»; д) из различных типов стальных шпунтов; е) распорное
с горизонтальными щитами и прозорами; ж) консольно-распорное; з) – инвентарная трубчатая распорная рама; и) инвентарные щиты ограждений (забивка); 1 – стойка;
2 – забирка из досок; 3 – подкос; 4 – бобышка; 5 – анкер; 6 – оттяжка; 7 – шпунтовая стенка; 8 – буронабивные сваи; 9 – то же, в обсадной трубе; 10 – типы шпунта;
11, 13 – распорки; 12 – стойка распорной рамы; 14, 15 – наружная и внутренняя трубы; 16 – стяжная муфта; 17 – щиты забирки

Вместо деревянных стоек и распорок используют стальные трубчатые стойки и телескопические распорки, длина которых изменяется за счет вращения винтовых муфт. Эти инвентарные распорные рамы эффективны ввиду их малой массы, легкого монтажа и демонтажа. Металлические трубчатые стойки по высоте имеют отверстия для крепления распорок. Распорка телескопического типа состоит из наружной и внутренних труб, поворотной муфты и опорных частей. В зависимости от ширины траншеи расстояние между стойками устанавливают путем выдвижения внутренней трубы из наружной, которое фиксируется болтом-стопором, вставляемым в совмещенное отверстие труб. Полное прижатие щитов к стенкам выемки осуществляют поворотом до упора муфты с винтовой нарезкой.

Анкерное крепление. Для восприятия опрокидывающих моментов, возникающих от действия грунта на шпунтовые, свайные и другие ограждения выемок, применяют анкерные устройства (грунтовые анкеры). Технология устройства грунтовых анкеров различных видов рассматривается в 5 части УМК.

Наиболее простое и часто встречаемое анкерное крепление выполняется следующим образом. На уровне дна котлована или траншеи вдоль стенок забивают с шагом 1,5...2,0 м (в зависимости от глубины котлована и влажности грунта) стойки на глубину 0,5...1,0 м ниже уровня дна котлована. Эти стойки на уровне верха котлована оттягивают анкерными тягами в виде двух пластин, на расстояние, превышающее угол естественного откоса и прикрепляют эти пластины к наклонно забитому анкеру.

За установленными и закрепленными стойками укладывают щиты или доски. Анкерные тяги несколько заглубляют в грунт, чтобы они не мешали передвижению людей по бровке котлована.

Подкосное крепление обычно устраивают при отрывке широких котлованов с расположением внутри котлована. Крепление состоит из щитов или досок, прижатых к грунту стойками, раскрепленными подкосами с защемлением с помощью упоров. Вертикальные стойки приобретают устойчивость за счет наклонных подкосов и горизонтальных распорок, при этом получившийся треугольник устойчив от скольжения благодаря забиваемым наклонным анкерам в угле соединения распорки и подкоса.

Дощатые щиты устанавливают между стенками котлована и стойками, свободное расстояние между ними засыпают землей для создания цельной единой конструкции, которая всегда будет устойчивой. Подобное крепление используют ограниченно, так как подкосы и упоры, расположенные в котловане, усложняют производство основных работ.

По мере выполнения или окончания работ крепление котлованов и траншей разбирают снизу вверх.

Искусственное закрепление грунтов. Закрепление грунтов применяют при создании вокруг разрабатываемых выемок водонепроницаемых завес или повышения несущей способности грунтовых оснований. В зависимости от физико-механических свойств грунта и требуемых прочностных характеристик, назначения закрепления и других свойств укрепленного грунта применяют замораживание, цементацию, силикатизацию, битумизацию, термический, химический, электрохимический и другие способы искусственного закрепления грунта.

Замораживание грунтовприменяют в сильно водонасыщенных грунтах (плывунах) при разработке глубоких выемок. Для этого по периметру котлована погружают замораживающие колонки из труб, соединенных между собой трубопроводом, по которому нагнетают специальную жидкость – рассол (растворы солей с низкой температурой замерзания), охлажденный холодильной установкой до минус 20…25 °С (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Схема искусственного замораживвания грунтов:

а) при близком залегании водоупора; б) при глубоком залегании водоупора;
в) схема холодильной установки; 1 – замораживающая колонка; 2 – отводящая труба;
3 – питающая труба; 4 – коллектор; 5 – распределитель; 6 – циркуляционный насос;
7 – испаритель; 8 – терморегулирующий вентиль; 9 – конденсатор; 10 – маслосборник; 11 – линия низкого давления хладоносителя; 12 – компрессор; 13 – линия высокого давления хладоносителя; 14 – замороженный грунт

Охлаждающие иглы состоят из наружных труб, закрытых и заостренных снизу, и внутренних, вставленных в них коаксиально и открытых снизу. Рассол поступает во внутреннюю трубу, а в нижней части колонки переходит в наружную трубу, по которой поднимается вверх, после чего направляется к следующей колонке.

Окружающий грунт замерзает концентрическими цилиндрами с постепенно увеличивающимися диаметрами. Эти цилиндры смерзаются в сплошную стенку мерзлого грунта, которая выполняет функцию конструкции ограждения временной выемки. Расстояние между колонками зависит от гидрогеологических и температурных условий производства работ, глубины выемки и назначается в среднем от 1,5 до 3 м.

Цементацияосуществляется для закрепления крупно- и среднезернистых песков, а также трещиноватых скальных пород и выполняется путем нагнетания в грунт цементного раствора через инъекторы. Инъектор (рис. 2.8) состоит из отдельных звеньев гладких и перфорированных труб длиной 1,5 м и внутренним диаметром 19...38 мм; внизу он имеет острый наконечник, а в верхней части – наголовник, к которому присоединяется шланг для подачи раствора под давлением.

На глубину до 15 м инъекторы погружаются забивкой пневматическими молотами, вибропогружателями, при больших глубинах погружения предварительно пробуривают скважины, в которые трубы и опускают. В зависимости от требуемых расчетных прочностных характеристик грунта через инъекторы подается цементный раствор состава от 1:1 до 1:10 по массе (цемент : вода); оптимальное давление обычно соответствует 1 атм на 1 пог. м трубы инъектора.

Радиус закрепления в трещиноватых скальных породах достигает 1,2…1,5 м, в крупнозернистых песках – 0,5…0,75 м, в песках средней крупности – 0,3…0,5 м. Прочность укрепленных грунтов может достигать 3,5 МПа. Нагнетание раствора в скважину прекращают при достижении заданного поглощения или когда при заданном давлении резко снижается расход раствора (за 20 мин в скважину попадает менее 10 л раствора).

Силикатизация (химический способ) – последовательное нагнетание в грунт водного раствора силиката натрия (жидкого стекла) и ускорителя твердения (раствора соли хлора, обычно хлористого кальция). Часто этот способ называют двухрастворным закреплением.

Применима силикатизация в песках, плывунах, лессовидных грунтах. Она позволяет повысить прочность, водонепроницаемость и общую устойчивость грунта.

Рис. 2.8. Цементация оснований: а) погружение инъектора;
б) нагнетание раствора; в) последовательность нагнетания раствора при устройстве противофильтрационной завесы; г) схема цементации нисходящими зонами;
д) схема цементации восходящими зонами; 1 – отбойный молоток; 2 – оголовок;
3 – труба-удлинитель; 4 – перфорированная часть с острием; 6 – домкраты;
7 – растворопровод; 8 – зоны цементации; 9 – скважины;

1-я, 2-я и 3-я – зоны цементации по высоте

Метод может применяться как в сухих, так и насыщенных водой грунтах, даже при высоких коэффициентах фильтрации
от 2 до 80 м/сут. В грунт последовательно нагнетают при давлении
до 15 атм (1,5 МПа) раствор жидкого стекла и хлористого кальция, которые в результате химической реакции образуют нерастворимое вещество (гель кремниевой кислоты), прочно соединяющее в единый монолит примыкающий естественный грунт (рис. 2.9).

Инъекторы изготовливают из стальных цельнотянутых труб с внутренним диаметром 19...38 мм и толщиной стенки не менее 5 мм. Нижняя перфорированная часть инъектора имеет длину 0,5...1,5 м. Насосы для нагнетания подбирают с расчетом подачи раствора в каждый установленный инъектор от 1 до 5 л/мин.

Рис. 2.9. Схема установки для химического закрепления грунтов: а) установка; б) инъектор; 1 – распределительный напорный коллектор; 2 – насос; 3 – емкость для раствора; 4 – инъектор; 5 – массив закрепленного грунта; 6 – слабый грунт; 7 – прочный подстилающий грунт; 8 – наголовник; 9 – глухие звенья; 10 – перфорированное звено (с отверстиями диаметром 1…3 мм); 11 – наконечник

При мелких пылеватых песках в грунт подают раствор фосфорной кислоты и жидкого стекла под давлением до 5 атм (0,5 МПа), в результате реакции также получается нерастворимый гель (кремниевой кислоты и фосфорнокислого натрия). Однорастворное закрепление из смеси силиката натрия и отвердителя применяют для слабодренирующих грунтов с коэффициентом фильтрации менее 0,3 м/сут. Прочность закрепленного грунта находится в пределах 0,3...0,6 МПа.

В лессовидные грунты нагнетают при давлении до 5 атм (0,5 МПа) только раствор жидкого стекла, который вступает в реакцию с содержащимися в этих грунтах солями кальция, в итоге также получается нерастворимый гель.

Способ силикатизации широко используется при проходке шахт и туннелей, при строительстве метрополитенов.

Битумизация применяется для закрепления песчаных и сильно трещиноватых грунтов, но что более важно – для прекращения через них фильтрации воды. Горячий битум нагнетают в грунт через инъекторы, установленные в пробуренных скважинах. К инъекторам, обогреваемым электрическим током, горячий битум подается из котлов насосом по трубам при давлении, достигающем 50...80 атм (5...8 МПа).

Инъектор состоит из двух труб, внутренняя с отверстиями для выхода битума, опускается в грунт ниже наружной, защитной трубы. Нагнетание битума осуществляется в несколько приемов. После первого нагнетания под давлением 2...3 атм (0,2...0,3 МПа) битуму дают возможность растечься по всем заполняемым полостям и начать затвердевать, уменьшаясь в объеме. Перед последующими нагнетаниями битум в скважине разогревают электронагревателями инъектора. Песчаные грунты можно закреплять холодной битумной эмульсией.

Термическое укрепление грунтов заключается в обжиге лессовидных и пористых суглинистых грунтов раскаленными газами через пробуренные
в грунте скважины диаметром 10...20 см. Скважины пробуривают в шахматном порядке на расстоянии друг от друга 2...3 м и на глубину до 15 м, сверху устье скважины заканчивается бетонным оголовком, в котором размещается форсунка для сжигания топлива.

К форсунке по шлангам подается топливо и сжатый воздух. Топливо может применяться жидкое (нефть, мазут, соляровое масло) или газообразное (природный газ). Сжатый воздух подается под избыточным давлением, превышающим давление в трубопроводе с топливом, благодаря этому избыточное давление позволяет отрывать пламя от форсунки и распространять его на всю глубину скважины.

В процессе обжига в скважине поддерживается температура 600...1100 °С. За счет такой высокой температуры происходит процесс расплавления и последующего спекания грунта. Обжиг может продолжаться 5...10 сут, в результате образуется керамическая свая диаметром 2...3 м. Расход топлива за весь период обжига составляет до 100 кг/пог. м скважины. Прочность грунта в среднем 1,0...1,2 МПа, но может доходить до 10 МПа.

Электрическим способом закрепляют влажные глинистые грунты. Способ основан на использовании эффекта электроосмоса, для чего через грунт пропускают постоянный электрический ток с напряженностью поля 0,5...1 В/см и плотностью 1...5 А/м². В результате действия тока глина осушается, сильно уплотняется и теряет способность к пучению.

Электрохимическое закрепление грунтов. Это способ применяют для глинистых и илистых грунтов. В грунт параллельными рядами через 0,6...1,0 м забивают металлические стержни или трубы, по которым пропускают постоянный электрический ток напряжением 30...100 В и силой тока 0,5...7 А на 1 м вертикального сечения закрепляемого грунта.

При погружении в грунт чередуют через ряд металлические стержни (аноды) и трубы (катоды), через которые в грунт подается раствор хлористого кальция, силиката натрия, хлорного железа и других химических добавок, увеличивающих проходимость тока, а значит и интенсивность процесса закрепления грунта. Методы применимы при малых коэффициентах фильтрации грунта 0,2...2 м/сут.

В результате насыщения грунта раствором хлористого кальция и пропускания затем по этому грунту электрического тока в грунте происходят необратимые изменения, в частности, они перестают пучиниться, увеличиваются их прочностные характеристики.

2.4. Определение объемов земляных работ при разработке выемок,
устройстве насыпей, при вертикальной планировке площадок

Объемы земляных работ подсчитывают по чертежам земляных сооружений, а также по натурным замерам в процессе производства работ, пользуясь формулами элементарной геометрии. При этом допускают, что отдельные неровности не влияют значительно на точность расчетов. При сложной форме сооружения его расчленяют на ряд простых геометрических фигур, объемы которых суммируют.

Объемы земляных работ подсчитывают в плотном (естественном) состоянии в м³, для некоторых процессов (планировка поверхности, откосови т.д.) объемы работ выражают в м² поверхности. Если необходимо определить объем грунта в разрыхленном состоянии, учитывают коэффициент разрыхления. При наличии на одном объекте нескольких видов грунтов объемы их подсчитывают отдельно.

В практике строительства приходится главным образом рассчитывать объемы котлованов, траншей, работ по вертикальной планировке площадок.

Для подсчета объемов земляных работ существуют справочники, таблицы и номограммы. Объем работ подсчитывают также по разработанным программам с использованием вычислительной техники.

Подробное изложение методик определения объемов земляных работ при разработке котлованов, траншей, работ по вертикальной планировке площадок с рассмотрением примеров приводится во 2 части УМК.

Объем котлована можно определить как объем геометрической фигуры усеченной пирамиды по формуле

V = H((2a + A)b + (2A + a)B)/6 (2.2)

где H – глубина котлована, вычисленная как разность между средней арифметической отметкой верха котлована по углам и отметкой дна котлована (рис. 2.10);

a, b – длины сторон дна котлована (принимают равными размерам нижней части фундамента у основания с рабочим зазором около 0,5 м с каждой стороны):

а = Fа + 0,5 × 2, b = Fb + 0,5 × 2 (2.3)

где Fa, Fb – размеры нижней части фундамента, м;

A, B – длины сторон котлована поверху, м:

A = a + 2Hm, B = b + 2Hm (2.4)

где т – коэффициент откоса.

Рис. 2.10. Схема определения объемов котлованов:
а) геометрическая схема определения объема котлована; б) разрез котлована постоянного (откос 1 : m₂) и временного (откос 1 : m₁); 1 – объем выемки; 2 – объем засыпки

Для определения объема обратной засыпки пазух котлована нужно из объема котлована вычесть объем подземной части сооружения:

Vo = V – H Fa Fb. (2.5)

При расчете объемов траншеи и других линейно протяженных сооружений в составе их проектов должны быть представлены продольные и поперечные профили. Продольный профиль разделяют на участки между точками перелома по дну траншеи и по дневной поверхности.

Для каждого из таких участков объем траншеи вычисляют отдельно, после чего их суммируют. Траншея или насыпь на каждом из таких участков представляет собой трапецеидальный призматоид (рис. 2.11), объем которого может быть определен несколькими методами, например, по формуле Мурзо

Vy = Fcp + [m(H₁ + H₂)²/12)]L, (2.6)

где Fcp – площадь поперечного сечения на середине участка;

L – длина участка.

Объемы земляных работ при вертикальной планировке площадок определяют по нивелировочной сетке квадратов или по сетке квадратов, нанесенной на план в горизонталях.

Вертикальная планировка наиболее рациональна при нулевом балансе земляных масс, то есть когда объемы грунта из выемок, соответствуют объемам грунта для возведения насыпей. Нивелировочная сетка или сетка, нанесенная на план в горизонталях (в зависимости от рельефа местности), состоит из квадратов со сторонами от 10 до 50 м. В сетке квадратов, нанесенной на план в горизонталях, отметки вершин всех квадратов (черные отметки) вычисляют интерполяцией по линии наибольшего ската между горизонталями.

Среднюю отметку поверхности площадки определяют по формулам, применяемым в зависимости от метода определения объемов работ – метода четырехгранных призм или метода трехгранных призм. При больших объемах выемок и насыпей учитывают также влияние остаточного разрыхления грунта путем пересчета объемов грунта насыпи и увеличения планировочной отметки.

Затем вычисляют проектные (красные) отметки с учетом заданной планировочной отметки (средней отметки поверхности) и заданного уклона.

Для подсчета объемов работ на вершинах сетки квадратов или треугольников наносят отметки проектной поверхности – красные отметки. Рабочие отметки вычисляют как разность между проектными (красными) и черными отметками.

Рабочие отметки со знаком плюс указывают на необходимость устройства насыпи, со знаком минус – выемки. Проектную (красную) отметку надписывают в верхнем правом углу квадрата, черную – в правом нижнем углу, а рабочую – в верхнем левом углу.

Квадраты и треугольники с рабочими отметками разных знаков называют переходными.

На сторонах переходных квадратов (треугольников) графически или аналитически определяют положение нулевых точек. Кривая на плане площадки, проведенная через нулевые точки переходных квадратов (линия нулевых работ), ограничивает участки выемки и насыпи.

По сетке квадратов объем земляного тела насыпи или выемки определяют как сумму объемов грунта, расположенного в пределах отдельных одноименных и переходных квадратов (треугольников), в которых объемы вычисляют по соответствующим формулам, заложенным в программы ЭВМ, а также приведенным в геодезических справочниках.

При проектировании рельефа площадки без нулевого баланса ее проектную поверхность определяют, исходя из заданных условий, оговоренных в проекте всего сооружения, то есть не вычисляя среднюю планировочную отметку.

Объемы грунтов насыпи и выемки необходимо подсчитывать с учетом грунта откосов, устраиваемых по контуру планируемой площадки. Вычисления объемов по сетке квадратов треугольников сводят в таблицу, которая называется сводным балансом земляных масс. Между суммарными значениями прихода и расхода грунта при нулевом балансе может образоваться разрыв, величина которого не должна превышать 5 %.

Основными документами, отражающими соотношение объемов грунта выемок и насыпей, являются ведомость баланса земляных масс на площадке и план распределения земляных масс на площадке (рис. 2.12).

Для составления плана распределения земляных масс зоны выемки и насыпи разбиваются на ряд смежных участков с эквивалентными объемами. Затем намечаются возможные резервы и отвалы грунта.

На основании анализа ряда возможных вариантов выбирается наиболее экономичный. Основным показателем эффективности того или другого варианта является стоимость работ, отнесенная на 1 м³ разрабатываемого грунта и зависящая в основном от дальности перемещения грунта.

При необходимости перемещения грунта на значительное расстояние, даже при ранее намечаемом нулевом балансе земляных масс, на площадке может оказаться целесообразным такой вариант, при котором грунт из отдельных участков выемки укладывается в близлежащие отвалы, а его потребность в насыпях компенсируется за счет разработки резервов. Осуществление такого варианта требует наличия свободной территории для образования резервов и отвалов грунта.

Определение средней дальности перемещения грунта. Трудоемкость и стоимость земляных работ при планировке площадок зависят не только от объемов, но и от средней дальности перемещения грунта из выемки в насыпь.

Средняя дальность перемещения грунта это расстояние между центрами тяжести массивов выемки и насыпи. Она определяется аналитическим или графическим методом. Аналитический метод определения среднего расстояния перемещения грунта основан на вычислении координат центров тяжести выемки и насыпи и определении расстояния между ними. Координаты центра тяжести выемки или насыпи относительно произвольно выбранных осей вычисляются по формулам:

X_H(B) = , (2.7)

Y _H(B) = , (2.8)

где Vi – объемы грунта в пределах простейших фигур выемки или насыпи, м³;

Xi, Yi – координаты центров тяжести простейших фигур, м.

Расстояние между центрами тяжести выемки и насыпи определяется по формуле

L = . (2.9)

При графическом методе площадка вычерчивается с сеткой квадратов и указанием положения нулевой линии, рабочих отметок и объемов грунта по каждому квадрату (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Схема определения среднего расстояния
перемещения грунта графоаналитическим методом

Объемы выемок и насыпей суммируются по вертикальным колонкам и горизонтальным рядам квадратов. Далее строятся кривые объемов выемок и насыпей по нарастающим итогам. Заключенная между кривыми площадь представляет собой произведение объема грунта на соответствующую проекцию среднего расстояния его перемещения:

W₁ = VL₁, W₂ = VL₂, (2.10)

откуда

L₁ = W₁ / V, L₂ = W₂ / V. (2.11)

Среднее расстояние перемещения грунта:

L = . (2.12)

Рассмотренные методы дают высокую точность результатов.

Объемы выемок и насыпей суммируются по вертикальным колонкам и горизонтальным рядам квадратов. Далее строятся кривые объемов выемок и насыпей по нарастающим итогам. Заключенная между кривыми площадь представляет собой произведение объема грунта на соответствующую проекцию среднего расстояния его перемещения:

W₁ = VL₁, W₂ = VL₂, (2.10)

откуда

L₁ = W₁ / V, L₂ = W₂ / V. (2.11)

Среднее расстояние перемещения грунта:

L = . (2.12)

Рассмотренные методы дают высокую точность результатов.

Шахматный баланс грунтовых масс – это такая форма представления вычисленных объемов земляных работ, в которой учитывается пункт укладки каждого объема земли, добываемого на отдельном объекте или участке планировочной выемки.

При распределении земляных масс по шахматному балансу следует принимать оптимальные расстояния перемещения грунта для тех механизмов, которые применены для выполнения работ на данном объекте.

Объемы работ по послойному уплотнению насыпей вычисляют как суммарную площадь последовательно уплотняемых слоев:

Fy = V_H/hy (2.13)

где Fy – суммарная площадь уплотнения, м²;

V_H – геометрический объем насыпи, подлежащей уплотнению, м³;

hy – толщина последовательно уплотняемых слоев, зависящая от рода грунта и вида уплотняющего оборудования, м.

тема 3