Портал о строительстве и ремонтных работах

Архивы рубрики ‘Технология возведения подземных сооружений’

В строительстве в основном разрабатываются крупнообломочные, песчаные и пылевато-глинистые грунты. На выбор технологии производства работ, трудоемкости и стоимости земляных, буровых и свайных работ оказывают значительное влияние плотность, влажность, прочность, разрыхляемость, кусковатость и другие свойства грунтов.

Влажность грунта оказывает значительное влияние на способ разработки грунта и на способность грунтов к уплотнению. Грунты влажностью до 5% считаются сухими (или маловлажными), свыше 30% — мокрыми, а от 5 до 30% — нормальной влажности.

Влажность, которая соответствует наибольшей (оптимальной) плотности грунта при наименьших затратах труда на уплотнение, называется оптимальной влажностью.

Для повышения производительности машин, снижения трудоемкости работ, а также повышения их качества (уплотнение грунта, устройство насыпей и др.) грунты доводят до оптимальной влажности, которая определяется гранулометрическим составом грунта.

При значительной влажности пылевато-глинистых грунтов появляется липкость, которая усложняет выгрузку грунта из ковша или кузова машины, усложняет работу конвейера и ухудшает условия передвижения машин и транспорта.

Липкостью называют способность грунтов при определенной влаж­ности прилипать к поверхности различных материалов. Липкость является отрицательным свойством грунтов и связана с консистенцией грунта.

Размокаемостъ представляет собой процесс полной или частичной утраты грунтом прочности под действием спокойной воды. Этот процесс характеризуется определенной продолжительностью. О способности грунтов к размоканию необходимо знать при обеспечении устойчивости стенок и откосов котлованов и земляных сооружений, когда имеется возможность их замачивания атмосферными осадками, аварийными сбросами или грунтовыми водами.

Размываемостъ — это разрушение грунтов под действием текучих вод. Размываемостъ зависит от состава грунта, его строения, характера структурных связей, а также степени минерализации и т. д. Размываемостъ характеризуется критической размывающей скоростью водного потока, при которой начинается отрыв отдельных частиц и их перемещение водой.

Глинистые грунты благодаря структурным связям менее подвержены размыву, чем мелкозернистые пески и пылеватые грунты.

Данные о размываемости грунтов необходимы для проектирования водоотводных канав и каналов, а также откосов земляных сооружений.

Тиксотропия — это переход геля в золь при динамическом воздействии на грунт и обратно после прекращения этого воздействия. Тиксотропные явления характерны для глинистых грунтов с коагуляционными связями.

При нарушении структурных связей в результате механического воздействия (вибрация, динамические нагрузки, знакопеременные давления) тиксотропное разрушение может быть полным (разжижение) или частичным (размягчение).

Знание тиксотропных свойств грунтов необходимо при погружении свай, буровых работах, приготовлении глинистых растворов, а также при устройстве фундаментов и подземных сооружений способом «стена в грунте».

Набухание — это способность грунтов увеличиваться в объеме в результате поглощения воды. Набухание характеризуется коэффициентом набухания, представляющим собой отношение объема грунта после набухания к первоначальному объему.

ю

Разрыхляемость — это способность грунта увеличиваться в объеме при разработке вследствие потери связи между частицами, при этом плотность грунта уменьшается. Увеличение объема грунта характеризуется коэффициентами первоначального и остаточного разрыхления. Коэффициент первоначального разрыхления определяют по формуле

Кр ~ QP /Q, (2.1)

где Qp — объем разрыхленного грунта;

Q — объем того же грунта в природном состоянии.

Коэффициент первоначального разрыхления грунтов КР, составляет:

песчаных……………………………………………… 1,08-1,2

пылевато-глинистых………………………….. 1,2 — 1,3

полускальных и скальных при взрывании:

«на встряхивание» ……………………….. 1,1 — 1,2

«на развал» ……………………………………….. 1,25-1,6

Разрыхленный грунт, уложенный в земляное сооружение, уплотняется. Однако такой грунт не занимает первоначального объема, который он имел до разработки, и сохраняет некоторое разрыхление, характеризуемое коэффициентом остаточного разрыхления Кор, значение которого для песчаных грунтов находится в пределах 1,01-1,025; суглинистых 1,015-1,05 и глинистых 1,04-1,09.

Величина коэффициента Ко р обычно меньше Кр на 15-20%.

При устройстве различного рода выемок и насыпей важно знать допустимую крутизну откосов, которая связана с понятием угла естественного откоса.

Грунты классифицируют по трудности разработки в зависимости от типа применяемой машины. Классификация грунтов по трудности разработки в ЕНиР составлена отдельно для немерзлых (I-VI группы) и мерзлых (1м — IVm) грунтов. Разрыхленные немерзлые грунты нормируют на одну грунпу ниже, чем эти же грунты в массиве, т. е. в неразрыхленном состоянии. В ЕНиР (Сб. 2. Земляные работы. Вып. I, 1986 г. разд. 1. Техническая часть, табл. 1 и 2) дана классификация грунтов по трудности их разработки в зависимости от видов землеройных машин и свойств грунта.

По трудности погружения свай молотами грунты разделяют на две группы:

I — почвы (растительный слой грунта), торф, пластичные и текучие супеси, суглинки и глины от тугопластичных до текучих лессы от мягкопластичных до текучих без включения гравия и гальки (дресвы и щебня) или с содержанием их до 10 %;

II — пески различной крупности от рыхлых до плотных, песок пылеватый, насыщенный водой, гравий, супеси твердые, суглинки и

И

глины, твердые и полутвердые, твердые лессы без крупных включений или с содержанием в них до 30% гравия и гальки (дресвы и щебня) крупностью фракции до 100 мм, также грунта I группы с включением гравия и гальки от 10 до 30 %.

При использовании буронабивных свай грунты классифицируют в зависимости от устойчивости стенок скважин и трудности бурения грунтов различными способами.

По устойчивости скважин грунты делятся на две группы:

— устойчивые — глинистые маловлажные грунты (твердые и полут­вердые суглинки и глины, твердые супеси), а также скальные неразрушенные грунты;

— неустойчивые — насыщенные водой, пылевато-глинистые грунты, плывуны, крупнообломочные грунты с песчаным заполнителем, пески и разрушенные скальные грунты.

Различные грунты имеют различную электропроводность, которая имеет практическое значение при выполнении технологических процессов, связанных с пропусканием через грунт электрического тока (осушение грунтов и погружение опускных колодцев с помощью электроосмоса, оттаивания грунтов, закрепление грунта с использованием электрического тока и др.).

В процессе производства земляных работ приходится иметь дело с явлениями замерзания и оттаивания грунта, а также с закреплением грунтов термическим способом. Поэтому при проектировании

производства работ имеют значение термодинамические характеристики грунтов — их теплопроводность и теплоемкость. Эти характеристики в большей степени зависят от состава и влажности грунта.

2.1. Классификация грунтов

Грунтами называются любые (рыхлые) горные породы, залегающие преимущественно в пределах зоны выветривания Земли и являющиеся объектом инженерно-строительной деятельности человека. Грунты используются в качестве основания, среды или материала для возведения зданий и сооружений.

Грунты подразделяются на два основных класса: скальные и нескальные.

Скальные грунты — это грунты с жесткими структурными связями, к которым относятся магматические (граниты, диориты и др.), метаморфические (гнейсы, кварциты, сланцы и др.) и осадочные сцементированные (песчаники, известняки и др.) породы.

Нескальные грунты — это грунты без жестких структурных связей. К нескальным грунтам относят рыхлые горные породы, включающие несвязные (сыпучие) и связные породы.

В состав грунтов входят твердые минеральные частицы, вода в различных видах и состояниях, газообразные включения, а также в некоторых грунтах органические соединения.

Нескальные грунты по размерам минеральных частиц подразделяют на следующие виды:

— крупнообломочные (валунные, галечниковые, гравийные и щебенистые) с содержанием частиц крупнее 2 мм более 50% по массе;

— песчаные (гравелистые, крупные, средней крупности, мелкие и пылеватые);

— пылевато-глинистые (супеси, суглинки и глины).

Почвы или растительные грунты — это природные образования, слагающие поверхностный слой земной коры и обладающие плодородием.

К просадочным относятся грунты, которые под действием внешней нагрузки или собственного веса при замачивании водой дают осадку, называемую просадкой (лессовые и другие макропористые грунты).

Лессовые грунты — это макропористые грунты, содержащие карбонаты кальция и проявляющие просадочные свойства при замачивании водой под нагрузкой.

К набухающим относятся грунты, которые при замачивании водой или химическими растворами увеличиваются в объеме, и при этом относительное набухание без нагрузки составляет є> 0,04.

К особым видам грунтов также следует отнести биогенные грунты, плывуны, растительные и мерзлые грунты.

Грунты, содержащие значительное количество органических веществ, называются биогенными. К ним относятся заторфованные грунты, торфы и сапропели (пресноводные илы).

Ил — водонасыщенный современный осадок водоемов, образовавшийся в результате протекания микробиологических процессов.

Плывуны — это грунты, которые при вскрытии приходят в движение подобно вязкотекучему телу, встречаются среди водонасыщенных мелко­зернистых пылеватых песков,

При возведении подземных сооружений основным материалом является грунт. Этот материал имеет непостоянные параметры в пределах сооружения, как по глубине залегания, так и по ширине и длине (в плане) сооружения. При возведении подземных сооружений также необходимо обеспечивать устойчивость грунтовой стенки.

На особенности работ оказывают влияние рельеф местности, инженерно-геологические и гидрогеологические условия площадки строительства, и метеорологические условия. Зимой приходится иметь дело с мерзлыми грунтами, а в теплый период года — с водонасыщением и разжижением грунтов атмосферными и талыми водами.

Заглубленные подземные части зданий подвержены воздействию давления грунта, причем это давление на различные конструктивные элементы подземной части различно, как по величине, так и по направлению.

Темпы возведения подземной части зданий отстают от темпов возведения их надземной части. Основными причинами этого являются природные факторы, которые наряду с усложнениями условий выполнения работ затрудняют возможности унификации и типизации конструктивных решений.

При строительстве гражданских и промышленных зданий, а также инженерных сооружений, как правило, отдельно выделяется этап возведения подземных сооружений, как отдельно расположенных (коллекторы, емкости и т. п.), так и составляющих подземную часть зданий и сооружений (основания, фундаменты, подвалы и т. п.).

При их возведении используются не применяемые в надземном строительстве организационные решения и технологические схемы, специальная техника и оборудование (буровая, сваепогружающая и т. п.)

1. Земляные (грунтовые) сооружения:

— основания (естественные, закрепленные, искусственные);

— выемки (котлованы, траншеи, шпуры, скважины);

— обратные засыпки;

— горизонтальные подземные проходки для инженерных коммуникаций.

2. Подземные части зданий:

— фундаменты строительных конструкций;

— фундаменты под технологическое оборудование;

— подвалы и цокольные этажи;

— подземные этажи;

— приямки, лотки, коллекторы.

3. Подземные инженерные сооружения:

— резервуары: открытые и закрытые; железобетонные и

стальные; для воды, жидких отходов, ГСМ;

— транспортные и водоотводящие туннели;

— инженерные коммуникации (водопровод, газ, канализация, электроснабжение, связь);

— дренажные системы (вертикальные, горизонтальные);

— анкерные устройства (постоянные, временные).

Основания — это напластования грунтов, которые воспринимают нагрузку от здания или сооружения. Различают основания естественные, сложенные природными грунтами и искусственные, когда природные грунты заменены или закреплены и их свойства улучшены тем или иным способом (уплотнением, закреплением и т. и.).

Фундаменты — несущие конструкции для передачи всех видов нагрузок от здания или сооружения на основание.

По организации работ по их возведению все виды фундаментов можно разделить на две большие группы:

— фундаменты, возводимые в открытых котлованах;

— фундаменты, устраиваемые без отрывки котлованов (свайные, щелевые, буровые, тонкостенные цилиндрические оболочки, опускные колодцы и кессоны) (рис. 1.1).

Фундаменты, возводимые в открытых котлованах, широко распространены в строительстве.

Отличительной особенностью фундаментов, возводимых в открытых котлованах, является передача нагрузки на грунт почти всегда через плоскую горизонтальную подошву. В этом заключается простота их возведения. Однако такая передача нагрузки не всегда оправданна с точки зрения работы системы основание — фундамент.

К фундаментам, возводимым в открытых котлованах, относятся следующие виды фундаментов мелкого заложения: столбчатые (отдельно­стоящие), ленточные, перекрестно-ленточные, плигные (сплошные), массивные, рамные, коробчатые.

Рис. 1.1. Классификация фундаментов зданий и сооружений

Столбчатые фундаменты представляют собой столбы с развитой опорной частью, передающие на грунт нагрузки от колонн и стен здания. Иногда такие фундаменты выполняют в разбуриваемых полостях в массиве грунта.

Ленточные фундаменты выполняют под стены или колонны. Они могут быть из монолитного и сборного железобетона. При устройстве подвалов ленточные фундаменты служат стенами подземной части.

б

Перекрестно-ленточные фундаменты устраивают под колонны на неоднородных и структурно-неустойчивых грунтах.

Плитные (сплошные) фундаменты устраивают под всем сооружением в виде безбалочных или ребристых конструкций.

При больших нагрузках вместо плитных фундаментов устраивают из монолитного железобетона коробчатые фундаменты.

Массивные фундаменты представляют собой бетонный или железо­бетонный массив, форму и размеры которого принимают в зависимости от наземной части сооружения или машины, устанавливаемых на фундамент.

Массивные фундаменты устраивают под сооружения башенного типа (телебашни, водонапорные башни, трубы др.), доменные печи, мостовые опоры, технологическое оборудование.

По степени сборности фундаменты подразделяют на сборные, монолитные, сборно-монолитные. К сборным относятся фундаменты, монтируемые из готовых элементов (плит, блоков, стоек, балок, оболочек) заводского изготовления.

Монолитные фундаменты выполняют непосредственно на строительной площадке путем бетонирования в опалубке или непосредственно в грунте.

Сборно-монолитные фундаменты выполняют из сборных элементов и монолитного бетона.

Без отрывки котлованов возводятся фундаменты глубокого заложения, в том числе свайные, тонкостенные оболочки, буровые опоры и столбы, опускные колодцы, кессоны и стены в грунте.

В этом случае значительные нагрузки передаются фундаментами через подошву и боковую поверхность. Или фундаменты прорезают все верхние слабые слои грунта и передают нагрузку на скальный грунт (каменные породы).

Свайные фундаменты включают сваи и ростверк, объединяющий сваи в верхней части. Сваи устраивают путем погружения в грунт готовых конструкций из забивных свай или изготовлением в проектном положении (набивные сваи).

При возведении фундаментов глубокого заложения и подземных сооружений наибольшее применение находят следующие технологии: опускная, буровая и «стена в грунте».

Опускная технология применяется при возведении тонкостенных оболочек, колодцев и _ кессонов. Буровая технология используется при устройстве фундаментов в виде опор и столбов на большую глубину.

В последние годы в области фундаментостроения применяют способ возведения фундаментов и подземных частей зданий в траншеях, запол­ненных тиксотропным глинистым раствором, так называемая технология «стена в грунте».

Строительство подземных сооружений, включая фундаменто — строение, являются важными разделами строительной науки и практики. За последние годы созданы новые типы свайных фундаментов, освоены методы «стена в грунте», технологии «закрытой проходки»; промышленностью освоен выпуск эффективных машин и механизмов, совершенствуются существующие и внедряются новые технологии.

Подготовка квалифицированных кадров, способных творчески решать вопросы повышения технического уровня, совершенствования технологии и организации строительства, — важная задача высшей школы.

В свете вышеизложенного авторы настоящего пособия стремились показать современный уровень технологических и организационных решений в этой области и отразить основные направления его дальнейшего развития.

Цели, поставленные при написании данного учебного пособия, — способствовать повышению уровня подготовки студентов, ознакомить их с особенностями возведения инженерных сооружений в последние годы в нашей стране и за рубежом. Приведённые в пособии примеры возведения специальных сооружений являются необходимым вспомогательным материалом при курсовом и дипломном проектировании.

Содержание учебного пособия соответствует программе спецкурса «Технология возведения подземных сооружений» для высших учебных заведений по специальности «Промышленное и гражданское строительство» (ПГС).

Учебное пособие предназначено для студентов специальности «Промышленное и гражданское строительство» и будет полезно инженерно-техническим работникам строительно-монтажных, проектных и научно-исследовательских организаций, занятых в области строительства зданий и сооружений.

Предисловие, введение, разделы 1, 2, 3 написаны канд. техн. наук

B. И. Снарским, заключение, разделы 4, 5 написаны канд. техн. наук М. М. Айгумовым, раздел 6 написан канд. техн. наук С. В. Снарским, разделы 7, 8 написаны В. И. Снарским и М. М. Айгумовым совместно.

При подготовке данного пособия были использованы материалы научно-исследовательских, проектных и строительных организаций. Авторы приносят глубокую благодарность коллективу кафедры «Строительные конструкции и гидротехнические сооружения» Саратовского государственного аграрного университета им. Н. И. Вавилова (заведующий кафедрой кандидат технических наук, доцент Затинатский

C. В.) за рецензирование рукописи и ценные замечания, которые были учтены при подготовке материала к изданию.

Специальные здания и сооружения, в частности подземные, относятся к числу наиболее сложных объектов, а некоторые из них являются уникальными. При их возведении применяются наиболее совершенные технические и экономические решения. Методы возведения таких сооружений оказывают влияние на общий технический прогресс в строительстве.

Отличительной особенностью возведения подземных сооружений является необходимость принятия нетрадиционных решений при производстве строительно-монтажных работ на основе глубоких теоретических знаний и достигнутого передового опыта.

В области строительства подземных сооружений и фундаменто- строении созданы новые виды свайных фундаментов, разработан и внедрен способ «стена в грунте», промышленностью освоен выпуск эффективных машин и механизмов.

Для сокращения сроков и затрат ресурсов необходимы освоение современных методов технологического проектирования, разработка рациональных организационно-технологических решений по выполнению строительных работ. Особое внимание должно быть уделено также выбору экономичных вариантов проектов организации и технологии работ при реконструкции действующих предприятий, имея в виду создание нор­мальных условий для совмещения строительных работ и основной дея­тельности предприятии. Несмотря на имеющиеся в этой области достиже­ния, строительство фундаментов и подземных сооружений остается трудоёмким и дорогим.

Значение. Подземная часть зданий и сооружений является весьма ответственным элементом, так как обеспечивает эксплуатационную надежность и общую устойчивость объекта в целом. Любые, даже малые деформации подземной части ведут к существенным изменениям эксплуатационных параметров всей надземной части. Протечки подземных емкостей и трубопроводов замачивают грунт и вызывают его просадку, что ведет к деформациям сооружения (разрушение стенок емкости, разрыв трубопровода). Замачивание может распространяться на значительные расстояния, вызывая деформации расположенных рядом зданий и сооружений.

При утечке агрессивных жидкостей (промышленные стоки, ГСМ и т. д.), которые с грунтовыми водами могут попасть в открытые водоемы (реки, озера), будет нанесен ущерб флоре и фауне, а также культурно­хозяйственному использованию этих водоемов.