Фундаменты глубокого заложения

Виды фундаментов глубокого заложения

Для обеспечения нормальной эксплуатации тяжелых ответственных сооружений обычно проектируют фундаменты глубокого заложения. Областью их применения являются опоры мостов, портовые сооружения, индустриальные цехи, а также сооружения разных видов. Фундаменты глубокого заложения отличаются следующими особенностями: 1) при устройстве не требуется предварительное вскрытие котлована; 2) вертикальные усилия на сооружения воспринимаются не только плоскостью подошвы фундаментов, но и боковой поверхностью за счет сил трения; 3) с учетом заделки хорошо сопротивляются действию горизонтальных нагрузок; 4) исключается разрушение основания в виде выпирания грунта на земную поверхность.

В настоящее время применяется несколько видов фундаментов глубокого заложения: оболочки, опускные колодцы, кессоны. Близки к ним и фундаменты, устраиваемые способом «стена в грунте».

Фундаменты из оболочек

Фундаменты из оболочек устраиваются следующим образом. Оболочки в виде железобетонных труб диаметром 0,8–3,0 м с помощью мощных вибропогружателей опускаются в грунт на глубину 3–6 м. Для дальнейшего погружения оболочки из нее извлекают грунт и снова приводят в действие вибропогружатель. После погружения одного звена оболочку наращивают с помощью болтов. Таким образом оболочки погружаются на глубину 30 м и более. Извлечение грунта при погружении оболочки производят с помощью эрлифта или гидроэлеватора, трубы которых выводят через отверстие в наголовнике под вибропогружателем.

Железобетонные звенья оболочек устраивают длиной 6–10 м (в зависимости от диаметра оболочки). Армируются они продольными стержнями и по спирали. При погружении оболочки в агрессивную среду для повышения их трещиностойкости обязательно предварительное напряжение арматуры. Стенки оболочки бетонируются бетоном марки не ниже В25–В30, толщина стенок 12–20 см. При достижении проектной отметки (скальной породы и др) производят бурение породы диаметром, равным внутреннему диаметру оболочки и скважину заполняют бетоном. В нескальных грунтах при необходимости устраивают уширение оболочки с помощью камуфлетных взрывов или разбуриванием. Образовавшиеся полости заполняют бетонной смесью.

Процесс заполнения оболочки бетоном состоит из следующих этапов. На первом этапе после удаления шлама методом подводного бетонирования укладывают бетонную смесь толщиной 2–5 м. На втором (после набора бетоном требуемой прочности) из оболочки откачивают воду и укладку бетонной смеси выполняют насухо. Оболочки являются составной частью столбчатых фундаментов, опирающихся на прочный грунт (чаще всего на скалу). С ростверком они соединяются с помощью арматуры. Ростверки у фундаментов из оболочек могут быть низкими и высокими. При отсутствии горизонтальных сил или их незначительной величине устраивают низкий ростверк, при больших горизонтальных или наклонных силах – высокий.

В качестве основного недостатка устройства фундаментов из больших оболочек следует отметить возникновение значительных колебаний, которые при забивке распространяются в радиусе иногда сотен метров, поэтому их не рекомендуется устраивать в застроенной части города.

Опускные колодцы и кессоны

Опускные колодцы устраиваются при строительстве подземных сооружений: насосных станций, водозаборов, скиповых доменных печей, установок непрерывной разливки стали, подземных гаражей, фундаментов опор мостов и т. д.

Устройство опускного колодца заключается в следующем. На поверхности грунта вначале выполняют кладку колодца на определенную высоту, затем внутри его разрабатывают грунт под ножом. Утрачивая опору, колодец под влиянием собственного веса опускается до тех пор, пока не заглубится в незатронутый разработкой грунт. Далее наращивают кладку колодца, и эту работу повторяют вновь. Все это выполняется до тех пор, пока не будет пройдена толща слабых грунтов, и колодец не достигнет проектной отметки заложения опоры, после чего нижнюю часть вертикальной полости заполняют бетонной смесью (рис. 3.18).

Рис. 3.18. Этапы устройства фундаментов из опускных колодцев:

1. Устройство колодца непосредственно на поверхности грунта;

2. Разработка грунта (опускание колодца);

3. Наращивание колодца (опускание происходит под собственным весом);

4. Погружение колодца на проектную отметку и удаление из него грунта;

5. Заполнение колодца (бетонирование)

В настоящее время устраивают опускные колодцы диаметром 6–45 м и глубиной до 40–45 м. Применение метода устройства фундаментов в виде опускных колодцев является весьма целесообразным, так как не требуется крепление стенок котлована, уменьшается объем земляных работ, снижается расход материалов по сравнению с обычными фундаментами.

Опускные колодцы подразделяются по: 1) форме колодца в плане – на круглые, прямоугольные, квадратные и с закругленными торцовыми стенками (рис. 3.19). Из приведенных вариантов предпочтение (по возможности) отдается круглой форме, так как в этом случае кладка колодца лучше воспринимает давление от грунта и, следовательно, обеспечивает возможность равномерной подработки под стенками при опускании; 2) материалу – на железобетонные, бетонные, металлические, каменные и кирпичные; 3) продольному сечению – чаще всего применяется ступенчатая форма колодца, позволяющая уменьшить силы трения при опускании колодца. В нижней части колодца устраивают нож. Его назначение – облегчить разработку грунта под стенками колодца путем выдавливания и защитить кладку при преодолении препятствий. Чаще всего нож опускного колодца выполняется железобетонным, усиленным специальным армированием.

Грунты в колодцах разрабатываются различными способами в зависимости от инженерно-геологических условий строительной площадки, размеров колодцев в плане. Обычно для этого применяют грейферы или экскаваторы с бульдозерами, эрлифты. При высоком стоянии грунтовых вод разработку грунта производят грейфером или эрлифтом, поддерживая уровень воды в опускном колодце несколько выше уровня грунтовых вод, поскольку это обеспечивает отвод наплывающего грунта.

Наиболее рациональным способом погружения опускного колодца является его опускание в тиксотропной рубашке. Этот способ основан на использовании свойств глинистого тиксотропного раствора удерживать в равновесии вертикальные грунтовые стенки траншей. Сущность этого способа заключается в том, что полость между грунтом и поверхностью колодца заполняется тиксотропным глинистым раствором, уровень которого все время поддерживается несколько выше поверхности земли (≈ 0,5 м). Для этого вокруг колодца устанавливается форшахта из обвалованных досок или металла высотой до 1 м. Полость для подачи тиксотропного раствора образуется за счет выступа ножевой части – его размер равен 100–150 мм.

Рис. 3.19. Форма опускных колодцев в плане:

а – круглые; б – квадратные; в – прямоугольные; г – с закругленными боковыми стенками; 1 – стенка; 2 – днище; 3 – поперечная стенка

За счет применения тиксотропной рубашки резко снижается сопротивление грунта по боковой поверхности колодца. Это позволяет значительно уменьшить толщину стенок опускного колодца, применять сборные и сборно-монолитные конструкции. Опускные колодцы в сборном варианте чаще всего выполняются цилиндрической формы. По конструкции сборных элементов все колодцы можно разделить на три группы: из тонкостенных криволинейных скорлуп-панелей применяют для устройства опускных колодцев диаметром 6–8 м. Опускные колодцы из плоских панелей устраивают диаметром Д = 7–37 м, глубиной до 30 м и толщиной 0,25–0,7 м. В колодцах с использованием пустотных блоков ножевую часть выполняют из монолитного железобетона, а стены - из тонкостенных блоков. Габаритные размеры таких колодцев: диаметр – 24–42 м, глубина погружения – до 40 м при толщине стен 0,9–2,1 м.

Проектирование опускных колодцев состоит из трех этапов: на первом – задаются геометрическими размерами конструктивных элементов на основании опыта проектирования и ориентировочных расчетов на прочность; на втором – назначают способ погружения колодца в зависимости от геологических и гидрологических условий строительной площадки (намечают способы разработки грунта, водослива в процессе эксплуатации, мероприятия, направленные на обеспечение устойчивости колодца против всплытия); на третьем этапе производится проверка принятых размеров расчетом опускного колодца на прочность. При этом учитываются следующие нагрузки – рис. 3.20.

Рис. 3.20. Схема нагрузок, действующих на колодец в последний момент погружения: Е_а – активное давление грунта на боковую стенку; t – силы трения;

Q – вес колодца; S – распорные силы ножа

Осадка – должна находиться в допустимых пределах, как для фундаментов на естественном основании.

Определение размеров подошвы самого колодца производится как для обычных фундаментов.

При повышенном уровне грунтовых вод в слабых грунтах, наличии валунов, в случае необходимости опирания фундамента на наклонную поверхность скалы и т. п. – возникает необходимость прибегать к кессонному способу устройства фундаментов (рис. 3.21).

Этот способ постройки фундаментов заключается в применении сжатого воздуха для осушения рабочего пространства. Такой способ впервые использовался еще в XVII веке, в Швеции, в водолазном колоколе для работы на дне водоемов.

Кессон – «перевернутый ящик» – используется при постройке на местности покрытой водой.

Кессоны также относятся к опускным сооружениям. В отличие от опускного колодца в кессоне отжатие грунтовой воды производится сжатым воздухом. Основной частью кессона является рабочая камера, в которую могут опускаться рабочие и инженерный персонал. Давление в рабочей камере повышают по мере погружения кессона в грунт и, таким образом, оно уравновешивает столб грунтовой воды и не пропускает ее в рабочую камеру. Над кессонной рабочей камерой монтируют шахту, сверху которой устанавливают шлюзовой аппарат, предназначенный для постепенного повышения давления до имеющегося в рабочей камере. По мере разработки грунта в рабочей камере устраивается надкессонная кладка.

Способ погружения кессона аналогичен опускному колодцу.

Пребывание людей в рабочей камере по времени строго лимитировано требованиями техники безопасности, при этом выход из рабочей камеры производится также с постепенным снижением давления. Аварийная ситуация возможна в кессоне при утечке воздуха. Кроме того, длительное пребывание в кессоне способствует развитию так называемой кессонной болезни. Все это значительно усложняет процесс опускания кессона и удорожает работы по устройству кессонных фундаментов. Максимальная глубина погружения кессона равна 35–40 м в связи с ограничением давления в кессонной камере.

Рис. 3.21. Кессон

По порядку расчета кессоны в основном аналогичны опускным колодцам, дополнительно учитывается вес надкессонной кладки и давление сжатого воздуха.