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: Еа – 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.