4.9. Заглубленные сооружения.
1) Область применения заглубленных сооружений.
Они строятся открытым способом в котлованах и составляют все больший удельный вес в городском строительстве; это многоэтажные подвалы, гаражи, различные хранилища, кинозалы, сберкассы и другие объекты с кратковременным пребыванием людей.
Рациональное использование земель и подземного пространства в виде заглубленных в землю этажей и строительства заглубленных сооружений стало особенно актуальным в связи с укрупнением городов, ростом их этажности, концентрацией населения, а также укрупнением и блокированием производственных комплексов.
В производственных комплексах также имеется много (до 15 % площади основного производства) мелких подсобных помещений: инструментально-раздаточные кладовые, помещения для заточки инструмента, вентиляционных установок и трансформаторных подстанций, небольшие кладовые, бытовые помещения и др., которые не нуждаются в естественном свете, а потому их целесообразно размещать в полуподвальных и подвальных этажах или в заглубленных сооружениях. Такие помещения могут быть использованы и для целей гражданской обороны.
Заглубленные сооружения могут быть как гражданского, так и производственного назначения. Заглубленные сооружения представляют собой особый тип построек, резко отличающихся от рассмотренных выше наземных жилых и производственных зданий. Главная их особенность состоит в том, что они всегда выполняются из каменных материалов (чаще железобетонных), имеют сплошной фундамент и круговую гидроизоляцию; все их конструкции обычно равнопрочны и равнодолговечны, исключая гидроизоляцию, которая нередко имеет меньший срок службы, чем железобетон. Специфическим элементом таких сооружений является дренаж, если грунты слабо дренируют воду.
Главная особенность технического обслуживания и ремонта заглубленных сооружений заключается в постоянном сохранении их герметичности, устранении пропуска воды через ограждающие конструкции и поддержании в них постоянного температурно-влажностного режима. Выполнение этих функций затрудняется тем, что все конструкции скрыты под землей и доступ к ним для осмотра и ремонта возможен только изнутри, а это усложняет и затрудняет диагностику их состояния, выявление мест повреждения скрытой гидроизоляции и технологию ремонтно-восстановительных работ. Из этого следует, что техническая эксплуатация заглубленных сооружений более сложна, чем надземных, требует специальной подготовки и опыта, наличия особой диагностической техники.
Строительство в открытых котлованах.
Строительство подземных сооружений открытым способом может осуществляться как в котлованах без крепления, борта которых сформированы под углом естественного откоса грунта, так и в котлованах, подкрепленных ограждающими конструкциями (рис. 2).
Устройство котлованов в откосах является наиболее простым и, как правило, экономичным решением, однако применение этого способа встречает множество ограничений, особенно в условиях стесненной городской застройки. Ограничением, в первую очередь, является требуемая глубина котлована. При увеличении глубины заложения следует делать более
пологие откосы, занимаемая площадь и объемы вынутого из котлована грунта существенно возрастают, что делает этот способ нецелесообразным или невозможным в силу ограниченности площадки. Существенно осложняют применение этого метода подземные воды, так как становится необходимым использование строительного водопонижения.
Поэтому котлованы в откосах обычно устраиваются в условиях отсутствия застройки при глубоком залегании уровня подземных вод.
а)
б)
Рис. 2. Схема строительства в котловане с откосами (а) и с ограждением (б).
Возведение подземных сооружений в открытых котлованах и траншеях при большой глубине предполагает временное крепление, устройство шпунтового ограждения или искусственное замораживание стен котлована, например в водонасыщенных слабых грунтах. Для ограждения стен котлованов применяют забивные металлические сваи и шпунт, буронабивные сваи, железобетонные сваи-стойки, опущенные в пробуренные скважины, а также постоянные и временные анкеры, удерживающие элементы несущих конструкций. К сложным условиям возведения заглубленных сооружений относят: устройство котлованов вблизи существующих фундаментов зданий и оборудования, действующих заглубленных сооружений (тоннелей, подвалов и т.. п.), расположенных ниже отметки заложения существующих несущих конструкций; рытье котлованов по периметру фундаментов (когда создаются условия для выпирания грунта или возникновения просадок); организацию глубоких (более 6 м) котлованов с вертикальными стенами; закрепление грунтов под подошвами фундаментов и в откосах котлованов; невозможность применения динамических методов воздействия на грунт вблизи действующих зданий, коммуникаций и др. При разработке котлованов глубиной более 4 м используют распорные элементы или анкеры, удерживающие элементы несущих конструкций заглубленных сооружений. Наиболее универсальными являются буровые инъекционные анкеры, применяемые в различных грунтах. Подземные сооружения при открытом способе сооружают по параллельной или последовательной схеме. При параллельной схеме все технологические процессы выполняют одновременно на различных участках, начиная с забивки свай и кончая их извлечением. Такая поточная технология требует 100-150-метрового фронта работ.
Для предотвращения обрушения вертикальных стенок необходимо устраивать их временное крепление. При этом необходимо иметь в виду, что без креплений вертикальных стенок траншей и котлованов, расположенных выше уровня грунтовых вод, допускается при глубине их не более, м: в песчаных и крупнообломочных грунтах - 1; в супесях - 1,25; в суглинках и глинах (кроме очень прочных) - 1,5; в очень прочных суглинках и глинах - 2. Крепление вертикальных стенок обязательно при устройстве выемок в стесненных производственных условиях, отрывке глубоких котлованов и в сильно водонасыщенных грунтах.
Способы и конструкции креплений вертикальных стенок котлованов и траншей зависят от их глубины и размеров, физических и гидрогеологических свойств грунтов, наличия динамических нагрузок у краев выемки (от машин и механизмов) и принятых способов последующих работ (монтажа строительных конструкций, труб и т.н.).
В зависимости от конструктивного решения различают крепления следующих типов: распорные, консольные, консольно-распорные, консольно-анкерные, подкосные. Тип крепления выбирается в зависимости от назначения и размеров выемки, свойств грунтов, величины притока грунтовых вод и условий производства работ.
По характеру конструктивного исполнения и степени оборачиваемости крепление может быть инвентарным и стационарным (из отдельных элементов), сплошным или с зазорами.
Шпунтовые ограждения стен являются разновидностью консольных ограждений и устраиваются при глубоких котлованах, большом боковом давлении грунта, сложных гидрогеологических условиях. Шпунтовые ограждения представляют собой сплошные стенки из предварительно погруженных в грунт стальных или деревянных шпунтов с замковыми соединениями. Существует три варианта исполнения шпунтовых ограждений - консольное, распорное и анкерное.
Рис. 3 Шпунтовое ограждение котлована
Опускные колодцы.
Этот метод строительства предполагает устройство на поверхности или в котловане конструкции колодца, открытого сверху и снизу. Стены в нижней части колодца оборудуют режущим краем – ножом. При извлечении грунта внутри колодца конструкция погружается в грунт под действием
собственного веса или дополнительной нагрузки. По мере погружения стены колодца могут наращиваться. После погружения колодца до проектной глубины устраивается днище, гидроизоляция и выполняются конструкции внутри колодца. Колодцы устраиваются, как правило, круглыми в плане, хотя возможна и иная их форма. Конструкция опускных колодцев выполняется из монолитного, сборного или сборно-монолитного железобетона.
Диаметр опускных колодцев может изменяться от нескольких метров до нескольких десятков метров.
Такие колодцы используются в различных отраслях строительства:
– в гражданском, коммунальном и городском хозяйстве — для фундаментов и подвальных этажей высотных зданий, подземных гаражей, насосных станций водозаборов и станций перекачки, глубокой канализации, хранилищ и других подземных помещений разного назначения;
– в горнорудной промышленности — для подземных частей дробильно-сортировочных и дробильно-обогатительных фабрик, насосных станций свежей и оборотной воды и др.
– в металлургии — для установок непрерывной разливки стали, вагоноопрокидывателей, скиповых ям доменных печей, отстойников окалины и других подземных помещений.
Рис. 9.1. Опускной колодец
а — погружение колодца.; б — фундамент в виде опускного колодца; 1 — консоли; 2 — стенки колодца; 3 — надфундаментная часть опоры; 4 — железобетонная плита; 5 — бетон, уложенный насухо; 6 — подводный бетон; 7 — прочный грунт; 8 — слабый грунт
Стены колодцев либо сооружают сразу на полную высоту, либо наращивают по мере погружения колодцев в грунт (рис. 9.1,а).
Погружение опускных колодцев в грунт производят с откачкой или без откачки воды из их полости.
После достижения опускным колодцем проектной глубины заложения фундамента полость колодца целиком (рис. 9.1,6) или частично заполняют бетонной смесью сначала подводным способом, а затем насухо. В верхней части колодца сооружают распределительную железобетонную плиту, на которой впоследствии ведут кладку надфундаментной части опоры; в некоторых случаях такую плиту не делают.
Опускные колодцы применяют в случаях расположения грунтов с достаточной несущей способностью на больших (более 5—8 м) глубинах, когда сооружение фундаментов в открытых котлованах из-за сложности крепления их стен экономически нецелесообразно или технически неосуществимо. Так как в подобных случаях кроме опускных колодцев можно применять фундаменты из свай или оболочек, выбор типа фундамента производят на основе технико-экономического сравнения вариантов. Достоинством фундаментов из опускных колодцев является возможность их погружения без использования сложного технологического оборудования. Недостатками их являются большой объем кладки и значительные трудности, возникающие при встрече колодцев в водонасыщенных грунтах с препятствиями в виде крупных валунов, скальных прослоек, топляков и т. п. Устранение таких препятствий возможно лишь после откачки воды из колодцев, что при водонасыщенных грунтах не всегда удается сделать. Трудности, связанные с необходимостью осушения колодца, возникают и при посадке его на скальный грунт, поверхность которого не бывает строго горизонтальной и нуждается в планировке для возможности опирания на него колодца по всему периметру.
Как известно, основным расчетным фактором при проектировании опускных колодцев является сопротивление погружению колодцев, возникающее от сил трения грунта по боковой поверхности оболочки.
Основным является расчет не на эксплуатационные, а на строительные нагрузки, т.к. во время их изготовления и погружения последние оказываются в более напряженном состоянии, чем при эксплуатации.
· Расчет на строительные нагрузки включает:
- расчет на погружение;
- расчет стен на разрыв;
- расчет ножевой части колодца;
- расчет стен колодца на боковое давление грунта;
- расчет прочности стен на изгиб в вертикальной плоскости;
- расчет на всплытие.
Рис.13.8. Схема нагрузок, действующих на опускной колодец во время его погружения