Основные технологии ограждения и раскрепления котлована и усиления соседней застройки

 

Среди самых распространённых конструкций ограждений котлованов стоит выделить:

1) стальной шпунт (основные марки – шпунт Ларсен и Arcelor – характеристики приведены в приложении);

2) ограждение из касательных или секущихся свай;

3) траншейная стена в грунте.

В качестве распорных конструкций обычно применяются:

1) стальные распорки;

2) анкерные крепления;

3) разработка котлована методом «top-down» и «semi-top-down».

В качестве распорных конструкций в большинстве случаев используются стальные трубы.

Рис. 1 – Устройство котлована с ограждением из стального шпунта с распорками из труб. При большой длине распорок устанавливаются дополнительные стойки.

 

Стальной шпунт

Шпунт из стальных шпунтовых профилей можно многократно забивать и извлекать из грунта. Он удобен для транспортировки и более рентабелен, чем деревянный шпунт. Важным достоинством стального шпунта является не только способность воспринимать боковое давление грунта, но и являться водопроницаемой конструкцией препятствующей фильтрации воды через сечение ограждения.

Отечественная промышленность выпускает стальной шпунт четырех различных профилей: плоский, корытный (типа «Ларсен») и полукруглый. Из них могут составляться самые различные профили ограждающих конструкций котлована. Тип шпунта выбирают в основном в зависимости от глубины ограждаемого котлована: чем глубже он, тем больше должен быть момент сопротивления сечения шпунта.

Для больших глубин в инженерной практике наибольшее распространение получили стальные профили U-, Z-, H- образного поперечного сечения. В некоторых случаях используются шпунтовые сваи сложной формы, шпунт, в виде половинки и целой трубы, Стальные профили снабжены замковыми захватами по краям, что позволяет фиксировать один элемент относительно другого в вертикальном положении.

Основными марками шпунта, представленными на рынке, являются «Ларсен», «Арселор (производство Люксембург) и др.

  а)                                                                   б)

Рис. 2 – Варианты поперечного сечения стального шпунта (Arcelor):
а) Z-образный; б) U-образный

 

В отечественной практике, при глубине котлованов до 4 м применение шпунта корытного профиля, заглубленного ниже дна котлована, может обеспечить устойчивость стены без ее дополнительного раскрепления (консольная стенка).

В Приложениях к методическим указаниям приведены геометрические параметры основных марок металлических профилей шпунтовых ограждений, наиболее часто применяемых в строительстве.

Ограничением для использования шпунтового ограждения является сложность или невозможность его погружения в гравелистые, скальные, полускальные грунты или плотные и прочные глинистые грунты с включениями гравия, галки, валунов.

 

Траншейная «стена в грунте»

Устройство ограждения котлованов по технологии «стена в грунте» заключается в устройстве ограждающих и несущих стен подземных сооружений или противофильтрационных завес путем отрывки глубоких узких траншей под защитой глинистого раствора с последующим бетонированием методом вертикально перемещающейся трубы (ВПТ).

Значительным преимуществом способа «стена в грунте» является возможность совмещения работ по устройству фундаментов и стен заглубленных сооружений, что позволяет исключить большой объем земляных работ.

Способ «стена в грунте» может быть использован в различных инженерно-геологических и гидрогеологических условиях и во многих случаях позволяет отказаться от забивки шпунта, различного рода креплений, водопонижения и замораживания. Применение способа «стена в грунте» целесообразно при высоком уровне подземных вод; заглублении конструкции в прочный и водоупорный слой; в стесненных условиях строительства; при устройстве глубоких подземных сооружений (более 10 м).

Применение способа «стена в грунте» может быть ограничено: наличием грунтов с кавернами и пустотами, в гравелистых, дресвяных, галечниковых грунтах, в илах и рыхлых насыпных грунтах с включением крупного строительного мусора, а также в песчаных грунтах с напорными водами более 10 м.

Стены ограждений котлованов, устраиваемые способом «стена в грунте» могут иметь различную форму в плане: прямоугольную, многоугольную и т. д.

 

 

Рис. 3 – Виды траншейных и свайных стен, выполненных в грунте

а – из соприкасающихся траншей; б – из непрерывных траншей с секционным заполнением; 1,2 – последовательность операций; 3 – ограничитель

 

Траншейные «стены в грунте» могут сооружаться непрерывными или отдельными секциями.

При устройстве монолитной бетонной или железобетонной стенки бетонная смесь укладывается в траншею методом вертикально перемещающейся трубы (ВПТ), глинистый раствор выдавливается, очищается от шлама и используется повторно на следующих захватках.

Технологическая схема устройства стен в грунте траншейным методом представлена ниже.

Рис. 4 – Технологическая схема устройства стены в грунте

1- устройство направляющей форшахты; 2 - отрывка траншеи на длину захватки; 3 – установку ограничителей; 4 – установку армокаркаса; 5 – бетонирование методом ВПТ

 

Рис. 5 – Устройство траншейной захватки штанговым грейфером фирмы «Soilmec»

 

Стены в грунте классифицируются:

· по назначению

- ограждающие,

- несущие

- противофильтрационные;

· по материалу

- железобетонные,

- бетонные,

- грунтоцементные,

- глинистые,

- комбинированные;

· по способу изготовления

- монолитные,

- сборные,

- сборно-монолитные.

Для монолитных стен применяют тяжелый бетон класса не ниже В15, для сборных конструкций – не ниже В22,5. В водонасыщенных грунтах используется бетон марки по водонепроницаемости не ниже W2, по морозостойкости не ниже F50. Для повышения плотности бетона, повышения пластичности бетонной смеси рекомендуется применять поверхностноактивные пластифицирующие добавки. Толщина защитного слоя бетона принимается не менее 50 мм.

Как правило, глубина котлованов для подземных помещений, ограничивается 30…35 м, а сами стены заглубляется в водоупорный грунт. Величина заглубления принимается в скальных грунтах 0,5…1,0 м, в мергеле и плотной глине 0,75…1,5 м, в пластичных суглинках и глинах 1,5…2,0 м.

При котлованах больших размеров, внутри которых возводится здание или сооружение, ограждающие конструкции, выполненные методом «стена в грунте», используются как внешние стены подвальных помещений. В этом случае нагрузка от здания передается на фундаменты, не связанные с ограждающими стенами.

Иногда конструкция стены в грунте, являющаяся ограждающей конструкцией котлована может использоваться и как фундамент под внешние стены здания или сооружения. Толщина стен определяется расчетом в зависимости от передаваемых нагрузок от сооружения и бокового давления грунта.

Расстояние между стенками из расчета прочности и устойчивости распорных конструкций, как правило, принимается до 15-20 м. При расстоянии более 20 м устойчивость стен обеспечивается анкерами. Обеспечение устойчивости стен в грунте за счет применения наклонных анкеров является наиболее простым и экономичным мероприятием.

Круглые или многоугольные в плане сооружения могут иметь различные конструктивные решения. Устойчивость стен таких сооружений обеспечивается анкерами и армированными поясами.

 

Рис. 6 – Стена в грунте с анкерными креплениями

 

Одной из важных задач при устройстве котлованов с использованием конструкций методом «стена в грунте» является обеспечение устойчивости стенок траншей при их разработке – предотвращение оползания и обрушения грунта. Это особо актуально в слабых грунтах ниже уровня подземных вод.

Устойчивость глубоких и узких траншей обеспечивается использованием при производстве работ тиксотропных глинистых растворов – смеси глины с водой. При выборе глин отдают предпочтение тем из них, которые обеспечивают более низкую водоотдачу при одинаковом расходе глины на приготовление 1 м³ глинистого раствора.

Состав глины подбирается в лаборатории в зависимости от гидрогеологических и геологических условий площадки строительства, а также экономическими соображениями. Наиболее эффективным типом глины для производства работ методом «стена в грунте» является бентонитовая глина: ее расход на приготовление 1 м³ глинистого раствора составляет 70…370 кг.

Плотность глинистого раствора при приготовлении его из бентонитовых глин принимается 1,05…1,15 г/см³, а при использовании глин других видов – 1,10…1,30 г/см³.

Выемки для траншейных стен устраиваются с использованием специальных или приспособленных для этой цели землеройных или буровых механизмов. Для этих целей используются следующие виды механизмов: долотовые или роторные (на базе буровых станков); экскаваторы (с обратной лопатой или ковшом-драглайн, многоковшовые); специальные (вибрационные, фрезерные, буровые); бурофрезерные; подвесные или штанговые грейферы.

Рис. 7 – Типы механизмов, разрабатывающих грунт

 а – многоковшовый траншейный экскаватор; б –штанговый глубинный экскаватор; в – грейфер; г – установка ударного бурения; д –бурофрезерная установка; е- многошпиндельная буровая установка фирмы «Тонэ Боуринг» (Япония); ж – навесное фрезерное оборудование

 

При использовании глинистой суспензии производится ее периодическая замена тампонажным раствором. В состав тампонажного раствора входят цемент, бентонит, глина, песок, вода и химические добавки для его пластификации и замедления сроков твердения. Плотность тампонажного раствора принимается 1,55…1,8 г/см³ и должна обеспечить вытеснение глинистого раствора из траншеи или скважины.

 

«Стена в грунте» из бурокасательных и буросекущихся свай

В Санкт-Петербурге одним из основных способов ограждения котлованов является ограждение из бурокасательных или буросекущихся буровых свай, выполняемых, как правило, под защитой обсадной трубы. Свободная длина таких свай может доходить до 4 м при диаметре свай 40…50 см.

 

Рис. 8 – Поперечное сечение бурокасательных и буросекущихся свай

1 – армированная свая; 2 – неармированная свая

 

Рис. 9 – Пример устройства ограждения котлована из бурокасательных свай

 

Рис. 10 – Пример устройства ограждения котлована из бурокасательных свай

 

В случае если глубина котлована свыше 4 м, ограждение из свай также раскрепляется анкерными или распорными креплениями. Ниже приведен пример ограждения котлована с помощью буросекущихся свай раскрепленных анкерными креплениями. В случае если инженерно-геологические условия площадки представлены сильноводопроницаемыми грунтами: водонасыщенными насыпными грунтами и песками, текучими глинистыми грунтами, то для обеспечения водонепроницаемости ограждения из свай необходимо выполнить инъектирование сопряжений касательных и секущихся свай путем устройства буроинъекционных свай или с помощью струйной цементации.

Рис. 11 – Примеры устройства ограждений котлованов из буросекущихся свай с анкерными креплениями