Способом «стена в грунте» сооружаются подпорные стены, стены заглубленных сооружений, фундаменты под тяжелые здания и сооружения, а также противофильтрационные завесы (рис. 4.13). Этот способ наиболее рационален при строительстве в сложных гидрогеологических условиях и высоком УГВ в городских условиях вблизи существующих зданий.
Способ «стена в грунте» основан на применении глинистого раствора для удержания в вертикальном положении стен траншей при их разработке и последующем заполнении бетонной смесью, сборными железобетонными конструкциями или противофильтрационными материалами.
Способ особенно эффективен при заглублении стен в водоупорные грунты, что позволяет полностью отказаться от водоотлива или водопонижения. Наиболее рационально его использование в нескальных песчаных, гравелистых, глинистых грунтах, но возможно применение и в полускальных породах (слабосцементированных песчаниках и конгломератах, алевролитах, аргиллитах и т.п.).
Первым этапом сооружения стены в грунте является устройство форшахты (рис. 4.14), которая служит направляющей для землеройной машины и обеспечивает устойчивость стенок в верхней части. Форшахту обычно устраивают в траншее, откопанной по оси будущей стены на глубину 70-80 см. Основание траншеи выравнивают и уплотняют, после чего устанавливают щиты опалубки, укладывают арматуру и бетонируют форшахту. При высоком уровне грунтовых вод для устройства форшахты насухо производят подсыпку песчаным грунтом.
В промежутке между направляющими форшахты на полную глубину (до 30-50 м) откапывается траншея, отдельными захватками длиной 4-6 м. Разработка грунта в траншеях ведется плоскими двухчелюстными грейферами на канатной подвеске (рис. 4.15), штанговыми грейферами (рис. 4.16), экскаваторами типа обратная лопата с удлиненной стрелой и узким ковшом. Это машины циклического действия.
Применяются также машины непрерывного действия, к которым относятся грунтовые фрезы (рис.4.17). В таких механизмах грунт разрабатывается вращающимися фрезами, перемешивается с глинистым раствором и в виде пульпы эрлифтом выдается на поверхность. Такое оборудование обладает более высокой производительностью.
Для обеспечения устойчивости стен захватки по мере углубления в нее подливается тиксотропный глинистый раствор (суспензия). Уровень раствора должен постоянно поддерживаться выше уровня грунтовых вод. При этом исключаются фильтрация воды из грунта в траншею и возможная суффозия, а глинистый раствор фильтруется в грунт. Однако в результате кольматации грунта частицами глины на стенке быстро создается практически водонепроницаемый слой, и расход раствора на фильтрацию невелик. Исключение составляют крупнообломочные грунты с незаполненными пустотами. В таких грунтах расход раствора будет большим, что может препятствовать применению способа «стена в грунте». После откопки захватки на полную глубину она заполняется материалом, из которого возводится стена. Вместе с грунтом на поверхность из траншеи в больших количествах попадает глинистый раствор, который после очистки от грунта подается обратно в траншею.
Если методом «стена в грунте» сооружается противофильтрационная завеса и устойчивость стен траншеи обеспечивается при достаточно большой длине обнажения, то работы по откопке траншеи и заполнению ее противофильтрационным материалом можно совместить. Для заполнения траншей при устройстве противофильтрационных завес применяются бетон, глиноцементный раствор, комовая глина, заглинизированный грунт. Допустимые градиенты напора для этих материалов в завесах составляют 200, 150, 50 и 30 м/м соответственно.
Глинистые растворы лучшего качества получаются из монтмориллонитовых глин. В кристаллической решетке монтмориллонита кислородная поверхность одного слоя контактирует с такой же поверхностью соседнего слоя, поэтому связь между слоями слабая. Благодаря этому молекулы воды легко проникают в пространство между слоями, увеличивая расстояние между ними почти в 15 раз. Монтмориллонитовая глина способна образовывать устойчивую суспензию желеобразной консистенции, тиксотропную, то есть разжижающуюся при механическом воздействии.
Гидрослюдистые, а тем более каолинитовые глины образуют менее устойчивые суспензии, которые в спокойном состоянии довольно быстро расслаиваются, что не только ухудшает условия обеспечения устойчивости стен траншеи, но при образовании плотного осадка может привести к появлению крупных глинистых включений при бетонировании стены.
Однако монтмориллонитовые глины дефицитны и дороги, поэтому для приготовления глинистых растворов стремятся использовать местные каолинито-гидрослюдистые глины, обогащая их при необходимости монтмориллонитом. Используемые для приготовления раствора глины должны содержать не менее 10 % частиц размером до 0,001 мм, не менее 40 % - частиц размером до 0,005 мм, иметь число пластичности не менее 0,2 и влажность на границе раскатывания не менее 0,25. Глинистые растворы характеризуются рядом показателей: плотностью, водоотдачей, стабильностью и другими, которые определяются на специальных передвижных лабораторных установках.
Плотность глинистого раствора показана в табл. 4.1. Максимальная плотность растворов - до 1,4 г/см3.
Улучшить показатели качества глинистых растворов можно путем обработки их кальцинированной содой (Na2CO5) в количестве 0,2-0,5 % от веса глины, карбоксиметилцеллюлозой, силикатом натрия (жидкое стекло). В случае необходимости применения раствора большой плотности в него добавляют утяжелители - молотый барит или окись железа.
Для предотвращения больших потерь (ухода) растворов в крупнозернистых грунтах в раствор добавляют молотый асбест (40-50 кг на 1 м раствора). Асбест повышает кольматирующую способность раствора.
Следует применять растворы с минимальным удельным весом, обеспечивающим устойчивость траншеи и кольматацию грунта. В непроницаемых глинах и суглинках можно вести работы с использованием чистой воды.
Если при выбранном удельном весе раствора устойчивость стен траншеи не обеспечивается, то следует повышать уровень раствора в траншее путем подсыпки территории, наращивания форшахты, или уменьшать величину захватки.
Глина для приготовления раствора применяется в виде порошка или комовая. Глина смешивается с водой на специальных гидравлических или механических смесителях производительностью 20-70 м /ч. Для подачи раствора в траншею используются специальные грязевые насосы.
Для предотвращения расслаивания раствора в траншее его рекомендуется время от времени продувать сжатым воздухом, подаваемым по трубам диаметром 50-100 мм.
При гидротранспорте грунта, разработанного в траншее, обычно применяются эрлифты, для надежной работы которых требуется глубина погружения более 7-8 м. При меньшей глубине для откачки зашламованного раствора используются специальные насосы.
Если позволяет место и грунтовые условия, вблизи откапываемой траншеи устраивается емкость - отстойник, куда направляется откачиваемый из траншеи раствор со шламом. После отстоя шлам направляется в отвал, а раствор возвращается в траншею. Если места для устройства отстойника нет, или его устройство ухудшит устойчивость стен траншеи, очистку раствора от шлама производят на виброситах (крупные фракции) и гидроциклонах.
При бетонировании для предотвращения попадания бетонной смеси из бетонируемой захватки в следующую между захватками устанавливаются разграничители. Роль разграничителя может играть железобетонный столб либо инвентарная труба, извлекаемая после твердения бетона в захватке перед бетонированием следующей захватки. Применяются и другие конструкции ограничителей, например, стальные диафрагмы, привариваемые к арматуре, которая опускается в захватку.
Арматура стены, свариваемая в каркасы, опускается в глинистый раствор перед бетонированием захватки. Бетонирование ведется методом вертикально перемещающейся трубы.
Наряду с монолитными железобетонными строятся сборные стены из панелей размером на одну захватку (рис. 4.19). К преимуществам сборных стен относятся: высокое качество поверхности стены, лучшая водонепроницаемость, возможность устройства стен с выступами, окнами для пропуска анкеров, закладными деталями для крепления перекрытий.
Стыки между панелями должны служить направляющими при их опускании, а после заполнения тампонажным раствором пространства между панелями и стенами траншеи - обеспечивать герметичность. В качестве тампонажного материала может использоваться специальный цементо-глинисто-песчаный раствор, который должен в период укладки быть жидким, а после твердения иметь прочность не ниже прочности окружающего грунта, легко сниматься с внутренней стороны панелей при откопке котлована, быть водонепроницаемым.
В состав тампонажного раствора входят 12-14 % жирной глины (желательно бентонита) от массы цемента и до 0,5 % сульфатноспиртовой барды (ССБ) или сульфатно-дрожжевой бражки (СДБ).
Возведение стен в грунте небольшой глубины возможно путем устройства сплошного ряда секущихся свай, причем бурение каждой последующей скважины производится либо после начала схватывания бетона в предыдущей, либо после опускания в предыдущую скважину лидерной направляющей трубы, извлекаемой перед бетонированием (рис. 4.21). Если в средней части возводимого подземного сооружения предусмотрены колонны для опирания перекрытий, их возводят как буронабивные сваи одновременно с возведением ограждающих стен.
По мере извлечения грунта из котлована, ограниченного стенами, монтируются перекрытия или устанавливаются анкеры, воспринимающие силы давления грунта.
Стены в грунте стремятся погрузить на 2-3 м в водонепроницаемый слой грунта даже ценой значительного (на 5-10 м) увеличения глубины стены по сравнению с необходимой. При этом часть стены ниже днища подземного сооружения, играющая роль противофильтрационной завесы, выполняется без армирования из соответствующих материалов.
При врезке стен в водоупор извлечение грунта из огражденного стенами котлована ведется в сухих условиях без водоотлива. Лишь в крайних случаях при строительстве способом стена в грунте применяют водопонижение или разрабатывают грунт подводным способом.
При откопке траншей под глинистым раствором в грунте, примыкающем к стене, образуется тонкий закольматированный слой, обеспечивающий надежную гидроизоляцию стены.
Днище сооружений, возводимых способом стена в грунте, имеет такую же конструкцию, как и у опускных колодцев, включая гидроизолирующий слой.
