Массивные фундаменты глубокого заложения из опускных колодцев и кессонов
Конструкции и область применения опускных колодцев и кессонов
Опускной колодец представляет собой открытую сверху и снизу железобетонную (реже стальную и бетонную) конструкцию (рис. 9.1), стены которой в нижней части имеют заострения (консоли), обычно усиленные металлом (ножи). Опускные колодцы погружаются в грунт под действием собственного веса по мере разработки и удаления грунта, расположенного в полости колодца и ниже его ножа.
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.
Рис 9.2. Кессон а — погружение кессона; б — кессонный фундамент; 1 — консоль; 2 — надкессонная кладка; 3 — трубы для сжатого воздуха; 4 — компрессорная станция; 5 — центральная шлюзовая камера; 6 — прикамерки; 7 — шахтные трубы; 8 — потолок кессона; 9 — нож; 10 — рабочая камера кессона; 11 — кладка надфундаментной части опоры; 12—бетон заполнения шахты; 13 — бетон заполнения рабочей камеры; 14 — прочный грунт; 15 — слабый грунт
Указанные трудности преодолеваются, если фундамент сооружают с применением кессона (рис. 9.2). Кессон (рис. 9.2,а) представляет собой открытую снизу железобетонную или стальную конструкцию, состоящую из потолка и боковых стен. Толщина стен кессона книзу уменьшается и они заканчиваются консолью со стальным ножом. Полость в нижней части кессона называют рабочей камерой. В ней производят разработку грунта, по мере которой кессон опускается под действием собственного веса, а также веса надкессонной кладки, возводимой из бетона над потолком в процессе погружения кессона в грунт. Подачей в рабочую камеру сжатого воздуха обеспечивают отжатие из нее воды, что позволяет вести разработку грунта насухо.
Сжатый воздух вырабатывается компрессорной станцией и подается по трубам как в рабочую камеру кессона, так и в шлюзовой аппарат. Последний состоит из центральной шлюзовой камеры и двух прикамерков — один для рабочих, второй для материалов. Шлюзовой аппарат устанавливают на две шахтные трубы, которые собирают из отдельных металлических звеньев и используют для подъема и спуска рабочих, а также вертикального транспорта материалов и грунта.
Спуск рабочих в камеру кессона производят в следующем порядке. Из пассажирского прикамерка выпускают сжатый воздух, что позволяет открыть вовнутрь наружную дверь прикамерка, в которую входят рабочие. Дверь закрывают и в прикамерок из центральной шлюзовой камеры подают сжатый воздух. Когда давление воздуха в прикамерке станет равным давлению воздуха в центральной шлюзовой камере, открывают дверь между ними и рабочие переходят в эту камеру, а потом по металлической лестнице, установленной в шахтной трубе, спускаются в камеру кессона. Подъем рабочих в центральную шлюзовую камеру и выход их наружу осуществляют в обратном порядке.
Изменение давления от нормального к повышенному (процесс шлюзования) и от повышенного к нормальному (процесс вышлюзовывания) в пассажирском прикамерке необходимо производить так, чтобы рабочие могли постепенно приспособиться к новым условиям. Время, потребное для шлюзования и вышлюзовывания, тем больше, чем выше давление воздуха в кессоне.
Для возможности отжатия воды из рабочей камеры кессона избыточное (сверх нормального) давление воздуха в ней должно несколько превышать гидростатическое давление на уровне низа ножа кессона.
Наибольшее избыточное давление, при котором разрешается работать людям в кессоне, равно 400 кПа. Это определяет максимальную глубину погружения кессона от уровня воды в 40 м.
После достижения проектной глубины заложения фундамента камеру кессона заполняют бетонной смесью (рис. 9.2,6). Затем демонтируют шлюзовой аппарат и шахтные трубы; вертикальную шахту заполняют бетонной смесью. В результате получается массивный фундамент глубокого заложения, на котором возводят кладку надфундаментной части опоры.
Преимущество кессонов по сравнению с другими типами фундаментов заключается в том, что они позволяют возводить фундамент глубокого заложения в любых гидрогеологических условиях. В рабочей камере кессона возможно освидетельствование и даже испытание грунта основания, что весьма ценно.
Кессоны имеют и существенные недостатки, к которым в первую очередь следует отнести вредное воздействие сжатого воздуха на организм рабочих, большой объем бетонной кладки в массивной конструкции фундамента, неиндустриальность конструкции и высокую стоимость кессонных работ. Если под избыточным давлением до 175 кПа разрешается находиться не свыше 7 ч в сутки, то под давлением в 350—400 кПа максимальное время пребывания составляет только 2 ч, из которых 1 ч затрачивается на процессы шлюзования и вышлюзовывания и только 1 ч используется на полезную работу. В связи с этим стоимость кессонных работ резко возрастает с увеличением глубины погружения кессона в грунт.
Источник
Фундамент глубокого кессоны для
В настоящее время кессоны применяются, когда:
- – подземное сооружение возводится в непосредственной близости от существующих зданий или сооружений и есть опасность выноса или выпора грунта из-под подошвы их фундаментов;
- – подземное сооружение строится в сильно обводненных грунтах. В этих условиях опускной колодец требует больших затрат на водоотлив, и поэтому экономически выгоднее использовать кессон. Кроме того, кессон находит применение при проходке горизонтальных туннелей в водонасыщенных грунтах.
По назначению различают кессоны: для устройства глубоких фундаментов и заглубленных зданий; для выполнения различных строительных работ под водой.
По способу опускания кессоны делят на: опускаемые с поверхности земли и из котлованов; островные, погружаемые на местности, покрытой водой, с искусственных островков; наплавные, опускаемые с воды путем затопления кессонной камеры, которой предварительно сообщается плавучесть [27].
VII.2.2. Элементы кессона и оборудование для его опускания
VII.2.2.а. Кессоны для устройства глубоких фундаментов и заглубленных зданий
Собственно кессон (рис. VII-22) состоит из кессонной камеры, надкессонного строения, гидроизоляции Обычно кессонная камера устраивается из железобетона и лишь в редких случаях — из металла. Форма сечения кессонной камеры — прямоугольная, квадратная или круглая. Стенки камеры наклонные и заканчиваются ножом (рис. VII-23). Высота камеры от банкетки до потолка принимается не менее 2,2 м. В потолке оставляются отверстия для установки шахтной трубы, патрубков для трубопроводов сжатого воздуха, воды, электроэнергии.
Надкессонное строение выполняется в зависимости от назначения кессона как колодец с железобетонными стенками (рис. VII-22, а) или в виде сплошного массива из монолитного бетона или железобетона (рис. VII-22, б). Иногда в конструкции надкессонного строения предусматривается установка по наружному контуру кессона тонких железобетонных плит-оболочек, выполняющих роль внешней опалубки. С внутренней стороны плиты-оболочки снабжается выпусками арматуры или покрываются мелким щебнем (щебеночная шуба). То и другое служит связью для бетона, укладываемого в надкессонное строение.
Гидроизоляция наносится на наружные стенки кессона для защиты от проникания воды внутрь кессона. В качестве гидроизоляции применяются торкрет, покраска битумно-бензиновым раствором, штукатурка из холодных битумных мастик и из горячих асфальтовых растворов, металлические листы, свариваемые в виде ванны. Перед нанесением гидроизоляции поверхность бетона должна быть хорошо очищена от грязи, краски, масляных пятен и т.п. Удаляют также слой слабого бетона, выступы и наплывы на поверхности бетона, расчищают каверны.
VII.2.2.б. Наплавные кессоны
При возведении фундамента, опоры или заглубленного здания вдали от берегов водоема при значительных глубинах воды, в связи с чем устройство искусственных островков становится сложным и экономически невыгодным, используют наплавные кессоны.
Наплавной кессон (рис. VII-24) состоит из кессонной камеры, замкнутой камеры равновесия, открытой сверху центральной шахты, регулировочных шахт, рабочего балласта на потолке камеры.
Камера равновесия, центральная и четыре регулировочные шахты наполняются водой, которая служит балластом кессона при его погружении. Для всплытия кессона водный балласт удаляется из камеры равновесия сжатым воздухом и из шахт — насосами [44].
VII.2.2.в. Оборудование для опускания кессонов
В СССР наибольшее распространение получил шлюзовой аппарат конструкции Н.И. Филиппова. Он предназначен для шлюзования людей и грузов, поступающих в кессонную камеру, и выполнения грузоподъемных операций при спуске в камеру или подъеме различных грузов из нее. Шлюзовой аппарат соединен с кессонной камерой шахтными трубами.
Схема шлюзового аппарата представлена на рис. VII-25. Он состоит из центральной камеры, пассажирского прикамерка, грузового прикамерка. Сверху центральной камеры расположен подъемный механизм, состоящий из барабана, редуктора и электродвигателя.
К барабану на стальном канате подвешена бадья. Пассажирский и грузовой прикамерки имеют подвесные на роликах двери, открывающиеся только внутрь. Для герметичности при шлюзовании двери снабжены резиновыми прокладками. Сжатый воздух от компрессорной станции подается в центральную камеру и прикамерки по трубопроводу.
В центральной камере и грузовом прикамерке уложен рельсовый путь под вагонетку. Грунт, поднятый из кессонной камеры в бадье, выгружается в вагонетку с откидным дном и выдается через грузовой прикамерок наружу, где вагонетка разгружается в специально устроенный желоб. Внизу центральная камера заканчивается овальным фланцем, к которому приболчивается шахтная труба. Шахтные трубы состоят из звеньев длиной по 2 м, соединяемых между собой болтами. Внутри шахтной трубы имеется перегородка, разделяющая трубу на два отделения — людской лаз и грузовое отделение. Людской лаз оборудован лестницей, а грузовое отделение — направляющими устройствами для спуска-подъема бадьи.
Трубопроводы для подачи сжатого воздуха монтируются из двух ниток, идущих параллельно от компрессорной станции. Диаметр трубопроводов устанавливается расчетом в зависимости от его длины и расхода сжатого воздуха. От каждой нитки магистрального воздухопровода делают три отвода — два для подачи сжатого воздуха в кессонную камеру и один в центральную камеру и прикамерки шлюзового аппарата. Рабочей является одна из ниток воздухопровода, вторая — резервная.
Компрессорная станция монтируется, как правило, из стационарных компрессоров производительностью 10—20 м 3 /мин с электроприводом. Количество компрессоров определяется по максимально возможному расходу воздуха. Кроме того, на случай аварии должны быть запасные компрессоры. Согласно правилам техники безопасности, резервная мощность компрессорной станции должна быть: при одном рабочем компрессоре не меньше 100%, при двух — не менее 50%, при трех и более — не меньше 33% рабочей мощности. Технические данные воздушных компрессоров стационарного типа, применяемых на кессонных работах, приведены в табл. VII-3.
Технические данные воздушных компрессоров стационарного типа
| Показатель | Марка компрессора | |||||
| В-300-2К | 2Р-20/8 | 160В-10/8 | 200В-10/8 | 2СА-8 | КВ-200 | |
| Производительность, м 3 /мин | 40 | 20 | 20 | 10 | 10 | 4,5 |
| Давление воздуха после II ступени, МПа | 0,8 | 0,8 | 0,8 | 0,8 | 0,8 | 0,6 |
| Частота вращения, об/мин | 330 | 500 | 720—735 | 720 | 480 | 650 |
| Мощность двигателя, кВт | 250 | 120 | 140 | 75 | 75 | 50 |
| Габариты, мм: длина ширина высота | 3300 1820 2200 | 1800 1500 2000 | 1715 1910 1675 | 1350 962 1430 | 1550 1670 1870 | 1100 665 1130 |
| Вес, кН | 80 | 45 | 28 | 14,5 | 32 | 7,5 |
| Охлаждение | Водяное | |||||
На строительстве, если максимальное давление сжатого воздуха в кессоне превышает 0,15 МПа, обязательно устанавливается лечебный шлюз для заболевших кессонной болезнью.
Оборудование для гидромеханической разработки грунта в камере кессона состоит из гидромониторов (рис. VII-13) и гидроэлеваторов (рис. VII-14). В комплекс одной установки для гидромеханической разработки грунта входят два гидромонитора и один гидроэлеватор. Принято считать, что одним гидромонитором можно обслужить в песчаных и супесчаных грунтах 150—250 м 2 , а в глинистых грунтах — 100—150 м 2 площади кессона.
Величины удельных расходов мониторной воды и оптимальных скоростных напоров приведены в табл. VII-4 и VII-5.
Удельный расход мониторной воды
| Грунты | Удельный расход мониторном воды на 1 м 3 грунта, м 3 |
| Пески: пылеватые мелкие средней крупности крупные гравелистые | 4—7 5—8 6—10 8—12 10—14 |
| Супеси: текучие пластичные твердые | 7—9 8—10 9—12 |
| Суглинки: текучие пластичные твердые | 9—10 10—12 11—15 |
| Глины: текучие пластичные твердые | 10—11 12—16 14—20 |
Оптимальные скоростные напоры
| Грунты | Оптимальные скоростные напоры, м |
| Пески: рыхлые средней плотности плотные | 7—10 10—15 15—20 |
| Супеси: текучие пластичные твердые | 30—40 40—50 50—80 |
| Суглинки: текучие пластичные твердые | 40—50 50—70 70—100 |
| Глины: текучие пластичные твердые | 50—70 70—100 100—150 |
Смородинов М.И. Справочник по общестроительным работам. Основания и фундаменты
Источник