Строительные технологии

Технология возведения подземной части зданий и сооружений

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Производство земляных работ на объекте, создание земляного сооружения для размещения в нем подземной части здания или сооружения связано с переработкой грунта, который в полном объеме или частично разрабатывается, перемещается, укладывается, планируется, уплотняется.

Выполнение всего необходимого набора работ происходит в результате осуществления комплексного технологического процесса.

Этот процесс состоит из нескольких простых операций, выполняемых в определенной технологической последовательности, определяемой пространственной формой земляного сооружения, условиями производства работ, техническими и технологическими параметрами используемых землеройных и землеройно-транспортных машин.

Простые операции (процессы) могут быть распределены по трем группам: подготовительные, основные и вспомогательные.

К основным процессам относятся: разработка грунта в земляных сооружениях типа «выемка»; укладка грунта в «насыпи», бурение скважин, погрузка грунта, перемещение грунта в пределах строительной площадки; транспортировка грунта за пределы объекта и завоз грунта на объект; послойное разравнивание и уплотнение грунта; планировка грунта; рыхление мерзлого или трудноразрабатываемого грунта; отделка поверхности земляного сооружения; обратная засыпка выемок или пазух.

В состав подготовительных процессов входит: понижение уровня грунтовых вод, устройство противофильтрационных завес и экранов, укрепление грунтов, разбивка земляных сооружений.

К группе вспомогательных процессов относятся: подготовка забоя, содержание и ремонт землевозных дорог, временное крепление стенок и откосов земляного сооружения, бурение шпуров, нарезание щелей для производства взрывных работ, срезка недоборов грунта, устройство съездов и въездов, увлажнение грунта, укладка текстильных материалов, контроль качества работ.

Состав процессов при выполнении земляных работ на объекте определяется условиями производства работ на строительной площадке. К ним относятся физико-механические свойства грунтов, наличие подземных вод, климатические условия, степень стесненности выполнения работ на площадке, ее расположение относительно других объектов и др.

Состав комплексного процесса производства земляных работ на объекте определяется технологом при разработке проекта производства работ (ППР).

Выполнение подготовительных и вспомогательных процессов. При разбивке зданий и сооружений используют геодезическую разбивочную основу, выполненную на этапе инженерной подготовки строительной площадки, т. е. привязывают продольные и поперечные оси здания на местности.

Для детальной разбивки осей здания и обозначения контура котлована служит строительная обноска. Она может быть сплошной по всему периметру здания или прерывистой. Прерывистая более удобна, так как не создает помех движению автотранспорта.

Вертикальные отметки в строящемся здании определяют относительно отметки ±0,00, которая соответствует уровню пола 1-го этажа. Все отметки, расположенные выше, берут со знаком «+», а ниже — со знаком « —».

Привязку здания следует начинать в точке Оь имеющей минимальное возвышение цоколя над спланированной плоскостью. В этой точке определяется наибольшая глубина котлована.

Во многих случаях возведения подземных конструкций зданий и сооружений приходится выполнять в условиях подземных (грунтовых) вод, затрудняющих производство земляных и других работ нулевого цикла. Они существенно снижают срок службы конструкций, соприкасающихся с грунтом, эксплуатационные характеристики подземных частей зданий и сооружений. В зависимости от конкретных гидрогеологических условий производство работ по осушению грунтов можно выполнять следующими способами: открытым водоотливом; дренажем; глубинным водоотливом.

Наиболее простым и экономичным способом является открытый водоотлив, который можно применять также в сочетании с глубинным водоотливом.

В процессе разработки выемки (грунта из котлована или траншеи) ее дну придают небольшой уклон к устраиваемому в самой нижней части приемнику (зумпфу), из которого воду откачивают поршневым, диафрагмовым или центробежным насосом и отводят по лоткам или водоотводным канавам от выемки. Затем разработку выемки ведут наклонными слоями с заглубленным зумпфом. Дойдя до проектной отметки по периметру котлована за пределами основания сооружения устраивают водоотводящие канавы, ширина которых по дну должна быть не менее 0,3 м с уклоном 0,002—0,005. Грунтовая вода, просачиваясь через откосы и дно котлована, поступает в водоотводящие канавы и по ним в зумпф, откуда также откачивается насосами.

При значительном притоке воды водоотлив должен вестись двумя насосами непрерывно. Перерывы, связанные со сменностью производства строительных работ на площадке, выходом из строя насосов, другими причинами приводят к накоплению воды в выемке, разжижению грунтов, которые затем приходится укреплять щебнем или бетоном, и в конечном счете все это увеличивает затраты и продолжительность работ нулевого цикла.

Использование открытого водоотлива может сопровождаться нежелательными явлениями (наличие в выемке воды, мелких частиц грунта, нарушение структуры и устойчивости грунтового массива), которые затрудняют производство работ, ухудшают строительные свойства грунта, как основания будущего сооружения. При интенсивном водоотливе могут быть затронуты грунты в основаниях соседних зданий.

Более совершенным является метод глубинного водоотлива или искусственного понижения уровня грунтовых вод: иглофильтровый и вакуумный методы, водопонижающие скважины.

Наибольшая эффективность применения иглофильтров обеспечивается в песчаных грунтах с коэффициентом 1—50 м/сут. Если необходимо понизить уровень грунтовых вод на глубину 7—9 м, иглофильтры устанавливают в два яруса.

При необходимости понижения уровня грунтовых вод на глубину свыше 20 м применяют способ вакуумного водопонижения. В этом случае используются установки с вакуумным водопонижением (УВВ) и эжекторные иглофильтровальные установки (ЭИУ).

Сущность вакуумного водопонижения заключается в том, что в отличие от водопонижения легкой игло-фильтровальной установкой, где центробежный насос создает в грунте положительное избыточное давление, установки вакуумного водопонижения создают и непрерывно поддерживают в фильтровальном звене вакуум, в результате" чего обеспечивается интенсивный подсос и снижение уровня грунтовой воды.

Водовоздушная смесь поступает в иглофильтр и откачивается вакуум-насосом. В установках с вакуумным водопонижением для того, чтобы постоянно поддерживать вакуум, через трубку, проходящую внутри иглофильтра, подают воздух, который обогащает поры грунта, и процесс откачки грунтовых вод происходит более интенсивно.

Эжекторные иглофильтровальные установки включают в себя иглофильтры с эжекторными водоподъемниками. Внутри иглофильтра находится труба, имеющая в нижней части эжек-торное устройство,—диффузор с насадкой. Во время работы иглофильтра в концевую полость между его наружной и внутренней трубами центробежным насосом подается под давлением 750—800 кПа «рабочая вода». Дойдя до насадки, она через нее устремляется вверх — к диффузору (попадание рабочей воды в грунт исключается). При этом скорость движения рабочей воды резко возрастает и в пространстве между насадкой и диффузором создается вакуум, под давлением которого грунтовая вода через фильтровальное звено засасывается внутрь иглофильтра. Смешавшись с рабочей водой, она по внутренней трубе направляется вверх к коллектору и далее в водосборник. Часть воды после очистки от частиц грунта поступает в центробежный насос и используется как рабочая вода.

В слабофильтрующих грунтах ЭИУ монтируют в заранее пробуренные скважины под защитой обсадных труб. В верхней части скважины после монтажа иглофильтра устраивают глиняный тампон.

Для повышения эффективности работы иглофильтровых установок в глинистых грунтах с невысокими коэф-° фициентами фильтрации (менее 0,1 м/сут) используют способ ээектроосмоса — перемещение воды в грунте под влиянием пропускаемого через него постоянного тока. В этом случае в грунт рядом с иглофильтрами на расстоянии до 1 м погружают стальные трубы или стержни из арматурной стали (рис. 4.5, б), которые подключают в цепь к положительному полюсу источника постоянного тока с напряжением 30—60 В. Под воздействием электрического тока вода, содержащаяся в порахгрунта, освобождается и перемещается в сторону иглофильтра: В результате водоотдача грунта повышается более чем в 5 раз.

Для осушения больших строите

льных площадок, на которых разра

батывается грунт и устраиваются

выемки для строительства подземной

части здания или сооружения, эффек

тивен способ, основанный на исполь

зовании открытых водопонизительных

скважин-колодцев, оснащенных насо

сами. По периметру будущей выемки

устраивают скважины диаметром до

400 мм и погружают в них фильтро

вые колонны. Фильтровая колонна

состоит из обсадной трубы с фильтром,

отстойника, водоподъемной трубы; по

верху вокруг фильтровой колонны уст

раивают грунтовую обсыпку высотой

0,2—0,3 м. Внутрь фильтро

вой колонны опускают насос, произ

водительность которого определяется

параметрами,            характеризующими

приток грунтовых вод. Приводной двигатель насоса может находиться как внутри скважины, так и над ее устьем. В первом случае он имеет водонепроницаемое исполнение и работает в затопленном состоянии, во втором — соединяется с насосом длинным трансмиссионным валом.

Применяют также открытые самоизливающиеся скважины. Изливающуюся из устья воду отводят к водосборникам и откачивают насосами. Скважины могут иметь различный наклон. Вертикальные скважины служат для снятия избыточного напора в нижележащих водоносных слоях грунта. Горизонтальные могут устраиваться в откосах выемок.

Использование установок для искусственного водопонижения вызывает необходимость решения задач экологического характера. В первую очередь —это необходимость применения экологически чистых технологий, которые не допускали бы загрязнения подземных вод, попадания в них вредных примесей.

Нередко при интенсивной откачке грунтовых вод в районе строительства нарушаются гидрогеологические условия. Нарушается взаимосвязь подземных вод с поверхностными, в результате чего могут произойти нарушения действующих водозаборных систем, осушение родников и т. д. Продолжительные откачки грунтовых вод особо опасны на застроенных городских территориях, так как они могут вызвать оседание земной поверхности, деформации зданий и сооружений, смещение осей инженерных сетей. Поэтому выбор способов защиты земляных сооружений от воздействия подземных вод должен сопровождаться анализом и разработкой соответствующих природоохранительных мероприятий.

Для ограждения котлованов, траншей, подземных выработок и защиты проводимых в них строительных работ от поступления грунтовых вод в зависимости от физико-механических свойств грунта, его состояния, мощности водоносных слоев существуют следующие способы закрепления грунта: замораживание, инъецирование в грунт растворов-отвердителей, устройство тиксотропных противофильтрационных экранов и завес, устройство шпунтовых ограждений.

В сильно водонасыщенных грунтах (плывунах) при разработке глубоких выемок, подземных сооружений создаются противофильтрационные завесы с помощью естественного или искусственного замораживания грунтов. Естественное замораживание применяется  в  районах с  низкими  температурами. В летнее время вскрывают котлован до уровня грунтовых вод, а затем в период наступления морозов допускают промерзание грунта на откосах и дне выемки на глубину 20—30 см. После этого послойно (10—15 см) снимают грунт, давая каждый раз промерзнуть грунту вглубь на 30 см. Таким образом возникает льдогрунтовая оболочка, защищающая выемку от проникания в нее грунтовых вод.

При искусственном замораживании по периметру выемки устраивается временная водонепроницаемая ледяная стенка. Для этого в заразнее пробуренные скважины погружают замораживающие колонки, состоящие из наружных замораживающих и внутренних питающих труб, соединенных трубопроводом, по которому подают специальную жидкость — рассол (растворы солей с низкой температурой замерзания), охлажденный в холодильной установке до —20 —40°С. В результате циркуляции рассола вокруг колонок начинают образовываться столбы замороженного грунта, которые, постепенно увеличиваясь в диаметре, соединяются в единую льдогрунтовую стенку.

В качестве хладоносителя может использоваться жидкий азот. Поступая в систему магистрального и распределительных трубопроводов и далее в замораживающие колонки, жидкий азот переходит в газообразное состояние —«кипит» при температуре - 196°С. Газообразный азот выводится через газоотводящие трубопроводы для последующего сжижения. И хотя стоимость замораживания грунта с использованием азота возрастает по сравнению с использованием рассола, сроки создания защитной завесы сокращаются в несколько раз. Это существенное преимущество сказывается в аварийных ситуациях, например, при прорыве воды или плывунов в зону производства работ.

Способ замораживания имеет свои недостатки: временное сохранение эффекта завесы (на период работы замораживающей установки), длительный процесс наращивания и последующего оттаивания ледяной завесы, повышение влажности грунта за счет перемещения воды к охлажденным участкам грунта и др.

Ограждение выемок от поступления в них грунтовой воды может создаваться путем инъецирования в грунт растворов-отвердителей. Проникая в поры и трещины грунта или породы, они связывают зерна грунта и, твердея, превращают его в водонепроницаемый и неразмываемый монолит.

В зависимости от вида растворов существуют следующие основные инъекционные способы: цементация, битумизация, глинизация, силикати-зация.

Цементацию применяют в крупнозернистых песках, гальке, гравии, трещиноватых скальных породах с коэффициентом фильтрации 80—200 м/сут. В грунт с помощью труб-инъек-торов под давлением нагнетают водоцементные растворы.

При битумизации песчаных и трещиноватых скальных грунтов в качестве отвердителя используют расплавленный битум или холодную битумную эмульсию.

В качестве инъекционного материала при глинизации используют водную суспензию бентонитовых глин, которые содержат на менее 60% минерала монтмориллонита.

Силикатизацию или инъецирование сначала водного раствора силиката натрия NaгБi03, а затем хлористого кальция СаСЬ применяют при устройстве водонепроницаемой завесы в песчаных и лессовых грунтах, имеющих коэффициент фильтрации до 80 м/сут.

Растворы вступают в реакцию и образуют гель кремниевой кислоты, который связывает частицы грунта и затвердевает.

Устройство   тиксотропных   противофильтрационных экранов толщиной 0,15—0,25 м производят с применением механизмов ударного, режущего, вибрационного и водовоздушного действия.

В качестве машины ударного действия используют копровый агрегат, который вплотную друг к другу погружает в грунт несколько стальных шпунтин или пустотелых свай. Затем первый погруженный элемент извлекают гидравлическим трактором, а в образовавшуюся полость подают глиноцементный или глинистый раствор, обладающий тиксотропными свойствами. Тиксотроп-ную суспензию приготовляют из бентонитовой глины, способной абсорбировать, т. е. поглощать воду в количестве, до 7 раз большем собственной массы, а после водонасыщения загустевать, приобретая гидрофобные (водоотталкивающие) свойства.

Извлеченный элемент погружают в месте, расположенном от последнего погружения на расстоянии не более чем ширина стороны поперечного сечения погруженного элемента. Процесс повторяется до тех пор, пока не будет сформирована проти-вофильтрационная завеса.

Погружение и извлечение пусто-образующих элементов можно выполнять с использованием вибрационного оборудования.

Щели в грунте для заполнения их противофильтрационными материалами можно устраивать с помощью машин с режущим рабочим органом (цепной рабочий орган, бар, канат и ДР.).

Противофильтрационный экран может быть устроен с помощью оборудования, которое разработано шведской фирмой «Алимак». В массиве грунта бурится скважина глубиной до 10 м и диаметром 0,5 м. В момент, когда бур начинает извлекаться из скважины, через его полный вал под давлением подается цемент и перемешивается с   разрыхленным   грунтом.   В   грунте образуется цементно-грунтовая свая. Затем на расстоянии, меньшем диаметра сваи, бурится новая скважина, в которой также устраивается цементная колонна. Между двумя колоннами снова бурят скважину, при этом частично захватывая материал двух соседних свай. В результате образуется стенка из сомкнутого ряда свай, обладающая противофильтрационными свойствами. Оборудование позволяет устраивать не только вертикальные, но и наклонные сваи (до 15° во всех направлениях).

В последние годы в практике зарубежного строительства получил распространение вертикальный дренаж, устраиваемый с помощью дренирующих свай и дренирующих стен. Вначале производят бурение скважины диаметром около 90 см и глубиной до 6 м в обсадной трубе. В готовую скважину помещают арматурный каркас, внутри которого закреплена труба, в нижней части имеющая ряд отверстий для поступления в нее грунтовой воды. В полость между обсадной и внутренней дренажной трубами опускают бетонолит-ную трубу и далее ведут бетонирование сваи методом вертикально перемещающейся трубы (ВПТ). В основание сваи подают фильтр-бетон и одновременно начинают подъем обсадной трубы. Затем бетонируют сваю обычным бетоном.

При возведении подземной части зданий и сооружений большие требования предъявляются откосам и стенкам выемок. Необходимость их крепления, а также конструкции крепления зависят от гидрогеологических условий и конструкции подземной части возводимого сооружения.

Вертикальные стенки в грунтах естественной влажности при отсутствии грунтовых вод допускаются без крепления: при глубине выемок в песчаных   и   крупнообломочных   грунтах не более 1 м, в супесях—1,25 м, в суглинках и глинах—1,5 м, в особо плотных грунтах —2 м.

При больших глубинах для предотвращения обвалов и оползней стенок выемок устраивают откосы, параметры которых определяются и регламентируются СНиПом. Необходимость устройства откосов ведет к значительному увеличению габаритов земляного сооружения и соответственно объемов разработки грунта, повышению материальных и трудовых затрат.

Для уменьшения объемов земляных работ, а также в случаях, когда разработка   выемок   с   откосами   некоторыми устанавливают затяжку из досок, железобетонных плит или наносят покрытие из торкрет-бетона,

возможна из-за стесненности площадки или наличия грунтовых вод, устраивают выемки с вертикальными стенками.

Временная крепь может быть выполнена в виде деревянного или металлического шпунта, металлических, железобетонных (забивных) или бетонных  (буронабивных)  свай, между деревянных щитов с опорными стойками, щитов с распорными рамами и других конструкций.

Шпунтовое крепление представляет собой сплошную стенку из металлических или деревянных элементов, жестко защемленную грунтом. Наибольшее распространение получил металлический шпунт с плоским, корытообразным, Z-образным профилем. С одной стороны поперечного сечения шпунт имеет паз, с другой — гребень. При забивке шпунта гребень одной шпунтины заходит в паз другой и в грунте создается сплошная стена, предохраняющая откосы глубоких котлованов от обрушения. Для забивания шпунта используют дизель-молоты или вибрационные и виброударные погружатели. После завершения работ по устройству подземной части металлический шпунт извлекают для последующего использования.

Закрепление откосов глубоких котлованов может производиться при помощи металлических или железобетонных свай, забитых на расстоянии 0,5—1,5 м друг от друга. По мере разработки стены выемки закрепляют деревянной дощатой затяжкой. Доски толщиной 5—7 см вставляют между сваями и расклинивают грунтом.

Если глубина выемки 3—4 м, свайное крепление может работать консольно, воспринимая боковое давление за счет заглубления свай в грунт на глубину 3—5 м.

При большей глубине выемки требуется дополнительное крепление свай. Оно может быть выполнено с помощью распорок-расстрелов, упираемых в продольные пояса-обвязки, устанавливаемые на сваях на расстоянии не менее 0,5 м от их верха. Расстрелы устанавливают через 4—6 м вдоль оси котлована.

В глубоких котлованах (более 10 м) расстрелы могут устанавливаться в несколько ярусов. Расстрелы изготовляют из металла составного профиля   (двух   швеллеров,   четырех уголков) или труб диаметром 30—40 см. Конструкция расстрела может быть   раздвижная,   телескопическая.

Расстрелы обеспечивают достаточную жесткость и могут быть использованы многократно. Однако такой тип крепления имеет ряд недостатков. Во-первых, расстрелы располагаются в пределах контура подземной части сооружения, что значительно затрудняет ее монтаж. Во-вторых, при увеличении ширины котлована до 15— 20 м масса расстрелов достигает 2— 3 т, что требует значительного времени и средств на их установку и закрепление.

В последнее время для воспринятая опрокидывающих моментов, возникающих от действия грунта на шпунтовые, свайные и другие ограждения выемок, применяют анкерные устройства (грунтовые анкеры). Анкеры устраивают в одном или нескольких уровнях по высоте откоса под углом к горизонту до 25°.

Основная деталь анкера — растягиваемый элемент (тяга)—выполняется из металла. Анкерную тягу одним концом крепят к конструкции стенки, а другим — в грунтовой массив за пределы возможной призмы обрушения и закрепляют там с помощью инъецируемого в грунт раствора. Грунтовой анкер устраивают следующим образом. После разработки котлована до определенной отметки под углом к горизонту забуривают скважину диаметром 20— 30 см и глубиной 8—20 м, часто применяя при этом обсадные трубы. Тягу заводят в скважину, после чего в нее инъецируют раствор, замоноличивая анкер по всей длине или только в нижней его части. Когда раствор затвердеет, анкер натягивают. Грунтовые анкеры располагают друг от друга через 3—5 м.

Конструкции анкеров отличаются материалом, из которого изготовлена тяга, несущей способностью и способом закрепления в грунте. В качестве тяг применяют также стальные трубы, металлические рифленые стержни диаметром 18—40 мм, высокопрочную проволоку в виде пучков, прядей или канатов, профилированную сталь. Несущая способность анкера составляет 150—2500 кН, причем наибольшее значение относится к проволочным тягам. По способу заделки в грунт различают трубчатые ненапрягаемые анкеры и предварительно напряженные инъекционные анкеры без уширения или с уширением.

Рассмотренные виды крепления откосов выемок требуют значительного расхода металла. Несмотря на то, что 80% свай и шпунта удается извлечь, значительная их часть остается непригодной для последующего использования. Забивка свай и шпунта вызывает нежелательные последствия, связанные с шумом и сотрясением близрасположенных зданий. Поэтому более прогрессивными являются системы крепления с применением буронабивных свай или устраиваемые с помощью метода «стена в грунте», а также метода торкретирования.

 В теории поточного строительства различают разновидности ...

 Усиление конструкций

 технология строительного производства - КОМПЛЕКСНАЯ МЕХАНИЗАЦИЯ И ...