Штучне закріплення ґрунтів та захист виїмок від ґрунтових вод

Для утворення навколо майбутніх виїмок водонепроникних завіс та збільшення несівної здатності грунтів залежно від їхніх фізико-меха-нічних властивостей та стану застосовують заморожування, рідше цемен­тацію, бітумізацію, силікатизацію.

Штучне заморожування — це тимчасове закріплення водона-сичених ґрунтів (пливунів) під час розроблення глибоких виїмок. Навколо виїмки створюють водонепроникні льодові стінки (рис. IV.4, а). Для цього по периметру виїмки заглиблюють колонки, що складаються із зовнішніх заморожувальних та внутрішніх живильних труб, з'єднаних трубопроводом, по якому нагнітається спеціальний розчин (розсіл) со­лей, що мають низьку температуру замерзання. Охолоджений до мінус 20...45 °С у холодильній установці розсіл циркулює навколо колонок, створюючи стовпи мерзлого ґрунту. Поступово збільшуючись у діаме­трі, стовпи з'єднуються між собою у суцільну стіну.

Цементацію застосовують при закріпленні середньо- та крупно-зернистих пісків, тріщинуватих скельних порід нагнітанням тампонаж­них розчинів під тиском 25... 100 МПа на 1 м заглиблення ін'єкторів (труб для подавання розчину).

При незначній глибині ін'єктори заглиблюють за допомогою віброза­нурювача, пневматичними молотами, гідравлічним способом, при значній глибині (15 і більше метрів) у заздалегідь пробурені свердловини. В ін'єк­тори поршневими чи діафрагмовими насосами нагнітають суспензію, яка має співвідношення за масою цемент : вода у межах від 1 : 1 до 1 : 10. Ще рідшу суспензію застосовують для замуровування тріщин у скельних по­родах. Радіус закріплення ґрунтів залежить від виду та стану ґрунту й орієнтовно становить, м: для пісків середньої крупності — 0,3...0,5, круп-нозернистих пісків — 0,50...0,75, скельних ґрунтів — 1,2... 1,5.

Бітумізацію застосовують як допоміжний спосіб до цементації для закріплення тріщинуватих скельних порід гарячою бітумною мастикою за великої швидкості ґрунтових вод. Піщані ґрунти закріплюють холод­ною бітумною емульсією. Мастику чи емульсію нагнітають у ґрунт крізь пробурені свердловини спочатку під тиском 0,2... 0,3 МПа, а потім поступово підвищують його до 5...8 МПа.

Силікатизацією підвищують водонепроникність, стійкість та міц­ність водонасичених пісків та пливунів.

За допомогою ін'єкторів під тиском 0,5... 1,5 МПа нагнітають у ґрунт спочатку розчин рідкого скла, а через одну-дві години - хлориду каль­цію. Змішуючись, розчини вступають у реакцію й утворюють гель силіцієвої кислоти, який, тверднучи, зв'язує ґрунт у міцний монолітний масив. Розчин можна вводити і за один раз. Компонентами для однороз-чинної суміші є рідке скло та ортофосфорна кислота або рідке скло та силіційфтористоводнева кислота тощо.

Виїмки у водоносних шарах можна влаштовувати під захистом тик-сотропних протифільтраційних екранів. Для цього використовують тиксотропну суспензію, яка має властивість у стані спокою тверднути та знову перетворюватись на рідину при перемішуванні.

Для влаштування тонких (0,15...0,25 м) протифільтраційних екра­нів застосовують машини, в основі роботи яких лежать ударний, ріжучий та водоповітряний принципи дії.

Рис. IV.4. Штучний захист виїмок від ґрунтових вод:

а — схема заморожування грунту; б — улаштування тиксотропного протифільтраційного екрана із застосуванням шнунтин-ін'єкторів; в — те саме, барових машин; г — те саме, за допомогою водоповітряної струмини; д — те саме, методом «різання канатом»; / — заморожувальна колонка; 2 — стовпи мерзлого грунту; З — котлован; 4 — зовнішня труба; 5 — внутрішня труба; 6 — огорожа з мерзлого грунту; 7 — протифільтраційний екран; 8 — труби для подавання суспензії, приварені до шпунтин; 9 — шпунтина, яка витягується з грунту; 10 — те саме, яка заглиблюється; // — трактор; 12 — робочий орган з барами; 13 — витиснсний на поверхню грунт; 14 — штанга; 15 — напрямна; їв — ін'єкторна голівка; 17 — моніторна голівка; 18 — свердловина; 19 — сталевий канат; 20 — вантаж

За допомогою машин ударної дії (копрів) впритул один до одного забивають ряд сталевих шпунтин-ін'єкторів двотаврового перерізу (рис. IV.4, б). Потім першу забиту шпунтину витягують гідравлічним екстрактором, а утворену в ґрунті порожнину поступово заповнюють тиксотропною суспензією, яку нагнітають під тиском до 6 МПа крізь трубу, приварену до двотавра. Витягнену шпунтину переставляють на нове місце впритул до установленого ряду і знову забивають. Процес повторюють по фронту майбутньої виїмки до повного огороджування ЇЇ водонепроникним екраном.

Щілини для наступного заповнення суспензією можна нарізати машинами із різальним робочим органом —- баром (рис. IV.4, в), кон­струкція яких аналогічна конструкції машин для розроблення мерзлих ґрунтів.

Для нарізання щілин можна також застосовувати установку, в якій різальним органом є канат (рис. IV.4, д). По периметру бурять сверд­ловини на 1...2 м глибше від проектної позначки і крізь обсадні труби заповнюють їх тиксотропною суспензією, яка запобігає руйнуванню стінок свердловини. У свердловини опускають штанги з вантажами зверху, а внизу з блоками, через які протягують канат на лебідки. Канат попе­ремінно перемотують з однієї лебідки на іншу, приторможуючи в цей час одну з них. Канат, врізаючись у ґрунт, втягує зі свердловини су­спензію, яка і створює в ґрунті суцільний екран. Послідовно перестав­ляючи штанги в інші свердловини, весь котлован закривають тиксотроп­ним екраном.

Спосіб улаштування протифільтраційних екранів з використанням водоповітряної струмини полягає у тому, що в пробурену свердловину опускають підвішену на крані спеціальну гідромоніторну установку (рис. IV.4, г). За її допомогою розмивають та витискують ґрунт на поверхню суспензії, яка під тиском поступає з ін'єкторної голівки.

Улаштування кріплень.Необхідність кріплення стінок котлованів і траншей визначається та регламентується нормативними документами і залежить від гідрогеологічних умов: виду та вологості грунту, наявності ґрунтових вод, глибини виїмки тощо.

Вертикальні стінки без кріплень допускаються в ґрунтах природ­ної вологості із цілісною структурою, якщо немає ґрунтових вод: при глибині виїмок у насипних, піщаних та гравелистих ґрунтах не більш як 1 м, у супіщаних — 1,25 м, у суглинкових та глинистих — 1,5 м, в особливо щільних ґрунтах — 2 м.

Для укладання трубопроводів плітьми в зв'язних щільних ґрунтах можна копати траншеї багатоківшевими екскаваторами на глибину до З м без кріплення. Проте в місцях сходження робочих у траншею для стикування плітей та виконання інших робіт слід улаштовувати місцеві укоси чи кріплення.

Для запобігання осипанню чи сповзанню ґрунту рекомендується услід за виїмкою влаштовувати фундаменти, укладати труби і т. д.

У разі відривання глибоких виїмок із вертикальними стінками або за наявності ґрунтових вод для забезпечення стійкості стін застосову­ють тимчасові кріплення. Тип кріплення визначається проектом вико­нання робіт залежно від розмірів виїмки, властивостей ґрунту, величини притоку ґрунтових вод та конкретних умов виконання процесів.

Кріплення стінок котлованів класифікується за способами роботи їх як несівних конструкцій і поділяється на підкісні, анкерні, консольні (шпунтові), розпірні та консольно-розпірні.

Підкісне кріплення (рис. IV.5, а) встановлюють усередині котлова­ну. Підкоси затруднюють виконання подальших робіт у котловані, і тому застосування цього кріплення обмежене. У зв'язних ґрунтах при­родної вологості при глибині виїмки до 3 м улаштовують горизонтальну закладку (забірку) з дощок 5 см завтовшки із прозорами на ширину дошки. Якщо глибина більше ніж 3 м, закладку роблять суцільною. У ґрунтах сипких та підвищеної вологості, незалежно від глибини котло­вану, прозорів не залишають.

Анкерне кріплення (рис. IV.5, б) складається зі стояків та закладок, розміщених у котловані, дерев'яних чи металевих тяг та паль, розміще­них за межами котловану на відстані, м,

b>h/tgq>, (IV. 1)

де Іг — глибина котловану, м; ф — кут природного укосу, град.

Щоб анкерні тяги не заважали переміщенню людей, їх слід улаш­товувати трохи нижче поверхні ґрунту.

Консольне (шпунтове) кріплення — це шпунтова стінка, жорстко затиснена ґрунтом. Таке кріплення влаштовують з металевого або, рід­ше, дерев'яного шпунта. Переважно їх використовують при огороджуван­ні мілких котлованів у водонасичених ґрунтах, коли неможливо штучно знизити рівень ґрунтових вод.

Металевий шпунт (рис. IV.5, в), який постачає промисловість за вста­новленим сортаментом (плоский, Z-подібний, коритного типу «Ларсен»), має велику несівну здатність та багаторазово використовується у будь-яких ґрунтових умовах, а також при розробленні ґрунту на значну глибину.

Розпірне кріплення сприймає всі діючі навантаження через розпірки, а щити кріплення та шпунтові стінки виконують функції огорожі. Роз­пірки можна встановлювати в один або кілька рядів по висоті перерізу.

За способом улаштування закладок (забірок) кріплення буває горизон­тальне (суцільне чи з прозорами) та вертикальне (рис. IV.5, г, д).

Розпірні кріплення переважно дерев'яні, для огороджувальних еле­ментів їх використовують у вигляді інвентарних щитів. У котлованах більш як 2,5 м завглибшки замість щитів можна встановлювати дере­в'яну шпунтову стінку, яку для підвищення стійкості заглиблюють у ґрунт на 0,5...0,7 м. Розпірки, як і підкоси, утруднюють виконання наступних робіт у котловані.

5»	*5— fr ///	•/
	,
			N>
\4		ш^

A

H

Щ

lv x1*
JPS^YiY ///ЧлДо	C£L
ЧІГ v ^5 \
1' &

Консольно-розпірні кріплення (рис. IV.5, є) поєднують у собі два види кріплення. Навантаження від тиску ґрунту, складених біля бров­ки котловану матеріалів тощо сприймається не тільки розпірками, а й огороджувальними елементами кріплення. Для останніх використовують дерев'яний чи металевий шпунт, а також двотаврові балки, між якими закладають дошки огорожі. Такі кріплення застосовують, як правило, для вузьких та неглибоких котлованів.

Для широких та глибоких котлованів використовують кріплення з телескопічними розпірками. Металеві палі з двотаврових балок № 40...60 забивають уздовж бровок майбутнього котловану з кроком а = 0,5... 1,5 м і більше, заглиблюючи їх нижче підошви майбутньої підземної споруди наЯ₃= 3...5 м. Стінки котловану між палями під час розроблення грунту закріплюють дерев'яними дощатими затяжками. Дошки 5.. .7 см завтовшки заводять за полиці паль та розклинюють ґрунтом.

Якщо глибина котловану більше ніж 3...4 м, палі додатково розкріп­люють поздовжнім поясом — обв'язкою з двотаврових балок на від­стані не менше ніж 0,5 м від верху котловану. У пояси упирають попе­речні розпори, розташовуючи їх через 4...6 м уздовж осі котловану (рис. IV.5, є). Для передавання навантаження від палей на розпори між кожною палею та балками обв'язки встановлюють сталеві клинки. У разі великої глибини котловану (більш як 10...12 м) та значного бокового тиску ґрунту розпори встановлюють по висоті в кілька ярусів.

Розпори роблять із труб діаметром ЗО...40 см і більше чи металевих профілів, складених із двох швелерів або чотирьох кутиків, з'єднаних накладками за допомогою електрозварювання.

Конструкція розпорів розсувна (телескопічна). Розкріплюються вони сталевими клинами чи спеціальними гідравлічними домкратами.

Кріплення вертикальних стін траншей за конструктивними ознаками подібне кріпленню стін котлованів. За конструктивним вико­нанням огороджувальних стінок розрізняють такі кріплення: горизон­тальне (суцільне чи з прозорами), вертикальне (суцільне) та інвентарне.

Горизонтальне кріплення з прозорами (рис. IV.5, г) застосовують у траншеях до 3 м завглибшки у зв'язних ґрунтах природної вологості, якщо немає чи є незначний приплив ґрунтових вод. При глибині тран­шей 3...5 м за тих самих умов улаштовують суцільне кріплення.

У ґрунтах сипких чи підвищеної вологості застосовують суцільне горизонтальне та вертикальне кріплення незалежно від глибини тран-

Рис. IV.5. Кріплення стінок котлованів і траншей:

а — підкісне; б — анкерне; в — шпунтове; г — розпірне горизонтальне з прозорами; д — те саме, вертикальне суцільне; є — консольно-розпірне; є — інвентарне; / -- забирка з дощок; 2 — стояк; З — бобишка; 4 — підкіс; 5 — паля; 6 — анкерна тяга; 7 — засипка; 8 — розпірка; 9 — металева паля; 10 — пояс-обв'язка; // — розпір; 12 — дошка затяжки; 13 - укіс котловану; 14 — кронштейн; 15 — накладки; 16 — клини; 17 — шар набризк-бетону; 18 -прогони; 19 — збірно-розсувна рама; 20 — інвентарні шити огорожі; 21 — в'язі жорсткості

шеї (рис. IV.5, д). Якщо приплив ґрунтових вод великий і є загроза винесення частинок ґрунту, влаштовують шпунтові кріплення з дощок, брусів чи металевих шпунтів (рис. IV.5, в).

Характерною ознакою інвентарних кріплень є те, що вони скла­даються із збірно-розсувних розпірних рам та інвентарних щитів ого­рожі (рис. IV.5, є). Дві розпірні рами опускають у траншею. Після цього між стінками траншеї та стояками закладають по обидва боки інвентарні щити, розсувають стояки розпірних рам обертанням упор­них гайок до відмови. Після установлення кріплень на розпірні рами для підвищення стійкості накладають в'язі жорсткості. Інвентарні крі­плення застосовують для розроблення землерийними машинами траншей до 3 м завглибшки.