Фундаменты глубокого заложения. Условия применения и классификация фундаментов глубокого заложения: свай, свай-оболочек, опускных колодцев, кессонов, «стена в грунте».

Фундаменты глубокого заложения, как правило, применяются в случае необходимости прорезки слабых грунтов или для сооружений, передающих на основание значительные нагрузки. Такие фундаменты можно охарактеризовать следующими особенностями:

1) фундамент сооружается способами, исключающими необходимость предварительного вскрытия котлована;

2) работа основания, пригруженного значительной толщей вышележащих грунтов, под нагрузкой протекает иначе, чем при мелком заложении (разрушение основания в виде выпирания грунта на поверхность исключается);

3) при расчете фундамента на горизонтальные силы и моменты оказывается возможным учитывать заделку фундамента в окружающем его массиве грунта и передавать на этот массив значительные нагрузки;

4) вследствие того что способы производства работ обеспечивают плотное прилегание грунта к боковой поверхности фундамента, для восприятия вертикальных усилий наряду с реактивным давлением грунта по подошве фундамента могут быть введены в расчет силы трения, развивающиеся по боковой поверхности фундамента.

В качестве материала для фундаментов наиболее часто применяют железобетон, бетон, каменные материалы. В качестве рабочей арматуры, как правило, используют горячекатаную арматурную сталь класса А-III.

Фундаменты могут выполняться в монолитном варианте непосредственно на строительной площадке или в сборном варианте из заранее изготовленных на заводе элементов.

Фундаменты глубокого заложения применяют под здания и сооружения, чувствительные к неравномерным осадкам или передающие на фундамент значительные сосредоточенные нагрузки, необходимы надежные основания из скальных, полускальных пород или малосжимаемых грунтов. Такие основания обычно залегают на большой глубине, иногда в несколько десятков метров, и часто перекрыты водоносными пластами. В этих условиях применение открытого способа устройства фундаментов глубокого заложения технически сложно и экономически нецелесообразно. Их сооружают в виде глубоких буровых опор, опор из тонкостенных сборных оболочек, стен, сооружаемых методом «стена в грунте», отпускных колодцев, кессонов.

Свайные фундаменты Свайные фундаменты обычно включают сваи и соединяющий их ростверк, но в ряде случаев ростверк может отсутствовать. Сваи в фундаментах под стены зданий обычно располагаются параллельными рядами (обычно в 1…4 ряда в зависимости от погонной нагрузки и несущей способности принятых свай). При восприятии сосредоточенных нагрузок от отдельных опор сваи располагаются «кустами» (чаще всего по 4…12 свай). Если несущая способность свай достаточно высока или сосредоточенная нагрузка мала, можно ограничиваться одной сваей под опору («односвайный фундамент»). В частности, при нагрузках на опору менее 300кН очень эффективными могут быть сваи-колонны, выполняющие одновременно функции фундамента и колонны.

Ростверки выполняются из монолитного, реже сборного железобетона. Если ростверк опирается непосредственно на грунт, он называется низким если между ним и грунтом остается зазор – высоким. В ряде случаев могут быть наиболее эффективными безростверковые свайные фундаменты: на сваях монтируются железобетонные наголовники (на строго заданных отметках), и надземные конструкции опираются непосредственно на них.

Последние десятилетия разработано много новых конструкций свайных фундаментов, которые экономически более эффективны, чем традиционные типы, но чаще всего сложней их.

В настоящее время сваи изготовляются в основном из железобетона. В отдельных случаях могут использоваться другие материалы (дерево, сталь), но это бывает редко. В мировой практике известно около 500 видов свай, однако, широкое применение имеют лишь очень малая их часть. Существуют различные классификации свай, среди которых в первую очередь следует назвать разделение свай по месту их изготовления:

• сваи, изготовляемые на заводе, доставляемые в готовом виде на строительную площадку, и погружаемые в грунт забивкой, вибрированием или вдавливанием (такие сваи обычно называют «забивными» независимо от способа погружения)

• сваи, изготовляемые непосредственно на строительной площадке (с использованием специальных машин и монолитного бетона).

В нашей стране наибольшее распространение получили предварительно изготовленные (забивные) сваи, что в значительной мере связано с суровыми климатическими условиями нашей страны, а также с общей ориентацией строительной отрасли быв. СССР на сборный железобетон.

За рубежом сваи, изготовляемые на строительной площадке, используются шире, чем готовые сваи, погружаемые забивкой или другими способами.

Сваями, сваями-оболочками называются относительно длинные, различной конфигурации конструктивные элементы, погружаемые в грунт или формируемые в нем в вертикальном или наклонном положении. Эти элементы передают нагрузки от сооружения на основание за счет сопротивления грунта по торцу и по боковой поверхности конструкции.

Свайными конструкциями называют группу свай или свай-оболочек, объединенных поверху плитами или фундаментными балками-ростверками, которые обеспечивают передачу и относительно равномерное распределение нагрузки от сооружения на сваи и их совместную работу. На них возводят несущие конструкции или они сами служат несущими конструкциями.

В зависимости от условий работы конструкции и направления действующих на нее сил все сваи погружают вертикально, наклонно или часть свай — вертикально, а часть — наклонно, учитывая при этом, что сваи лучше всего работают на осевое сжатие.

рис. 8.1. Свайные конструкции а — с высоким ростверком; б — с низким ростверком; 1 — сваи; 2 – ростверк

Различают свайные конструкции с высоким ростверком, нижняя поверхность которого расположена выше отметки спланированной земли или размыва грунта около сооружения, и с низким ростверком, подошва которого расположена ниже этих отметок (рис. 8.1). Сваи с высокими ростверками являются своеобразными инженерными сооружениями (мосты и их опоры, причалы, пирсы и др.), в которых сваи могут работать на изгиб, центральное и внецентренное сжатие и растяжение. Эти конструкции рассчитываются как плоские или пространственные рамы, где ростверк принимают за жесткий или гибкий ригель, а сваи, заглубленная часть которых является фундаментом, — за вертикальные или наклонные гибкие стойки. Конструкция сваи с низким ростверком состоит из совместно работающих ростверка, свай и грунта в межсвайном пространстве и их рассматривают как свайный фундамент. В этих конструкциях сваи почти полностью погружены в грунт и работают преимущественно на сжатие.

В промышленных и гражданских зданиях, в которых преобладают вертикальные нагрузки, к свайным фундаментам относят сваи с ростверками, расположенными на поверхности или несколько возвышающимися над по­верхностью земли или над отметкой подполья. Наземные конструкции зданий и сооружений возводят непосредственно на ростверках или между ростверком и конструкциями предусматривают дополнительные элементы — стеновые блоки или специальные конструкции нижних панелей стен зданий, которые непосредственно устанавливаются на сваи.

Широкое применение в промышленном и гражданском строительстве свай, свай-оболочек и свайных фундаментов обусловлено увеличением нагрузок на опоры, увеличением объема строительства на площадках с плохими грунтовыми условиями в связи с запрещением использования участков, занятых сельскохозяйственными угодьями, а в ряде случаев более простым и экономичным решением конструкций подземных частей зданий.

Сваи, сваи-оболочки и тонкостенные оболочки различают по ряду признаков: по материалу, по условиям изготовления и погружения, по передаче нагрузки на грунты основания, по размерам и формам поперечного и продольного сечения, по взаимодействию с грунтами.

Источник

ВИДЫ ФУНДАМЕНТОВ ГЛУБОКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ.

Необходимость в фундаментах глубокого заложения возникает, если сооружение должно быть опущено на большую глубину (подземные и заглубленные сооружения); если сооружение создает большие нагрузки, а верхние слои представлены значительной толщей слабых грунтов, подстилаемых прочными скальными грунтами; если сооружение передает на основание значительные горизонтальные нагрузки; если имеется высокое залегание грунтовых вод.

Основные виды фундаментов глубокого заложения:

Опускные колодцы

Кессоны

Тонкостенные оболочки

Буровые опоры

1. Опускной колодец представляет замкнутую в грунте обычно симметричную открытую и снизу, и сверху конструкцию. Он либо бетонируется на месте, либо собирается из готовых элементов (рис.Ф.16.1).

Рис.Ф.16.2. Опускной колодец: а — установка на поверхность; б — заглубление; в — наращивание новой секции; г — опускной колодец опущен до прочного грунта; д — у опускного колодца сделано дно

Опускные колодцы погружаются под действием собственного веса, хотя для погружения сборных элементов дополнительно может применяться вибрация. По мере погружения изнутри из колодца извлекается грунт. Для этого могут применяться экскаваторы грейферного или другого типов, иногда гидроразмыв грунта. После опускания колодца до заданной отметки его внутренняя полость частично или полностью заполняется бетоном. Опускной колодец может быть использован для устройства заглубленных в грунт помещений.

Материалами являются камень, кирпич (кладка), дерево, металл, бетон и железобетон. Чаще всего применяется бетон и особенно железобетон.

В плане опускные колодцы имеют симметричную форму, могут быть круглыми, квадратными, прямоугольными с внутренними перегородками или без них (рис.Ф.16.4). Наиболее рациональной является круглая форма. Острые углы в плане округляются. Симметрия определяется тем, что при этом уменьшается вероятность перекосов опускных колодцев при их погружении.

Рис.Ф.16.4. Различные формы поперечного сечения опускных колодцев

Опускные колодцы в плане часто повторяют контур сооружения, например мостовой опоры, водозаборного устройства и т.д. Для опускного колодца стремятся, чтобы периметр по отношению к его площади был бы наименьшим, чтобы уменьшить силы трения по боковой поверхности, препятствующие его погружению, а площадь опирания  наибольшая. Ею определяются опорные давления на подстилающий слой от внешней нагрузки и возможность использования внутреннего помещения в опускном колодце, нужного для размещения оборудования.

Применение железобетона позволяет по отношению к чисто бетону сделать более тонкими стенки, а также, в случае необходимости, применить для колодца более сложную форму.

Снизу опускные колодцы имеют ножевую режущую часть  в стенке делается скос с внутренней стороны. Ножевая часть усиленно армируется, в нее могут закладываться металлические прокатные профили  уголки или швеллеры. Толщина режущей части понизу составляет 150-400 мм. Наружные стенки колодца либо полностью вертикальные, либо ступенчатые с уменьшением диаметра кверху, либо наклонные. Толщина стен иногда достигает 2-2,5 м. Уступ позволяет снизить трение о грунтовый массив при опускании, а также уменьшить расход материала, так как боковое давление на колодец кверху уменьшается. Наклон образующей боковой поверхности к вертикали делается обычно менее 1 , но он может затруднить вертикальность при опускании колодца, поэтому возможно возникновение перекосов. Ступенчатость также определяется исходя из такого же малого уклона. Бетонирование колодца ведется обычно на месте ярусами по мере его опускания. Глубина опускных колодцев может быть назначена любой из условий практической необходимости, а разработка грунта в них может осуществляться как с водоотливом, так и без водоотлива. Извлечение грунта осуществляется либо сверху грейфером, либо (при осуществлении водопонижения и осушения) путем погружения после осушения механизма внутрь колодца. При разработке грунта внутри колодца может применяться гидромеханизация.

Опускание колодцев производится с поверхности под действием собственного веса. Погружение должно вестись строго вертикально, без перекосов. В случае оседания с одной стороны пригружается другая сторона для выравнивания. Обследуется возможность препятствия для погружения  валунов, стволов погребенных деревьев и др. Водопонижение может облегчить опускание, так как при этом снижается действие противодавления воды. Для облегчения опускания могут применяться местные гидроподмыв и выборка грунта.

При погружении опускных колодцев они могут «зависнуть» из-за большого трения на контакте с грунтом массива, в который они погружаются. Чтобы этого не было, в полость между массивом и боковой поверхностью колодца нагнетается глинистый раствор, образующий так называемую «тиксотропную рубашку». Этот раствор приготовляется из бентонитовых глин, обладающих тиксотропными свойствами, то есть глин, переходящих в желеобразное состояние. Затем, после окончания опускания колодца, боковое пространство заполняется цементно-песчаным раствором.

Расчет ведется на строительные и эксплуатационные нагрузки. Действующие нагрузки: собственный вес колодца; силы трения по боковой поверхности; боковое давление грунта на стенки колодца; давление воды снаружи и изнутри. Стенки колодца рассчитываются на отрыв нижней части при наличии зависания в верхней части, на изгиб. Колодец в целом рассчитывается на возможность опускания при воздействии собственного веса. При устройстве днища в колодце следует произвести проверку возможности его всплытия при повышении уровня воды.

2. Кессоны применяются тогда, когда опускание опоры глубокого заложения должно производиться ниже уровня воды и требуется ручная разработка грунта. Кессон  это опрокинутый вверх дном ящик, образующий камеру, в которую нагнетается под давлением воздух таким образом, чтобы выдавить всю воду и осушить разрабатываемый грунт. Этот способ более сложен и дорог, чем применение опускного колодца, но он позволяет «добраться» до разрабатываемого грунта вручную. После окончания опускания кессона его камера заполняется бетоном.

Установка для опускания кессонной опоры состоит из:

1) кессонной камеры;

3) шлюзового аппарата;

4) компрессорных установок для нагнетания воздуха.

Кессонная камера железобетонная, имеет высоту не менее 2,2 м. В нижней части по периметру имеется ножевое устройство, как и у опускного колодца. Шлюзовой аппарат служит для возможности входа человека в ствол-шахту, где давление воздуха выше атмосферного и, затем, по окончании работ, выхода его оттуда, а также извлечения грунта. В шахте устраивается лифт-подъемник. Надкессонное строение возводят либо сразу на всю высоту, либо ярусами с наращиванием по мере необходимости.

Рис.Ф.16.12. Кессон: а — для использования подземного пространства (размещения в нем оборудования); б — для использования как опоры сооружения; 1 — кессонная камера; 2 — надкессонное строение; 3 — шахтная труба; 4 — шлюзовой аппарат; 5 — гидроизоляция; 6 — защитная стенка

После монтажа и опробования установки по нагнетанию воздуха начинается опускание кессона, для чего из-под ножа камеры вынимаются подкладки. Сжатый воздух в камеру начинает подаваться после достижения ножевой частью камеры уровня воды. Давление регулируется таким образом, чтобы «выдавить» воду из камеры. Максимальная глубина опускания кессона не более 40 м ниже уровня подземной воды, так как большее избыточное давление (более 40 кПа) человек обычно не выдерживает. Адаптация человека к повышенному давлению занимает до 15 мин, а обратный процесс продолжается до 1 часа.

Если кессон опускается, то для форсирования опускания временно понижается внутреннее давление в камере, а вокруг ножевой части внутри применяется глиняная обкладка, препятствующая притоку воды внутрь камеры. Для разработки грунта внутри камеры применяется гидромеханизация. Отработанный грунт удаляется гидроэлеваторами или бадьями с использованием лифта. Кессоны сейчас используются значительно реже, чем опускные колодцы или другие виды фундаментов глубокого заложения.

3.Фундаменты глубокого заложения могут быть выполнены в виде тонкостенных оболочек. Это пустотелые железобетонные цилиндры диаметром 1-3 м. Толщина стенки  12 см. Секция имеет длину 6-12 м. По мере необходимости секции наращиваются. Соединения в стыках осуществляются путем сварки или на болтах. Для погружения в песчаные грунты применяется вибрация. В нижней части опоры делается ножевое устройство. После погружения внутренняя полость заполняется бетоном. Имеются варианты толстостенных оболочек (до 20 см) и с поперечной диафрагмой. Диафрагма имеет отверстие для извлечения грунта. Оболочка погружается до скальных пород, а нижний ее конец заделывается в скалу. В нижней части для заделки в скалу может быть сделано уширение. Его полость бетонируется, но предварительно в эту зону погружается арматура.

4.Буровые опоры  это бетонные столбы, устраиваемые в пробуренных скважинах, то есть набивные сваи большого диаметра. Бетонирование ведется под защитой либо обсадных труб, либо глинистого раствора, удерживающего стенки скважин от обвала. Они работают как сваи-стойки, поскольку их доводят до плотных грунтов, на которые они опираются. В нижней части для уменьшения давления на грунты делается уширение. Тело опор армируется. Несущая способность до 10 МН и более. Диаметр 0,4-1,2 м. Глубина погружения до 30 м и более.

5.Способ предназначен для устройства фундаментов, а главное, заглубленных в грунт сооружений. По контуру сооружения отрывается узкая глубокая траншея, которая заполняется бетонной смесью или сборными железобетонными элементами. Стена в грунте применяется для устройства фундаментов тяжелых зданий, подземных этажей, гаражей, переходов, водопроводно-канализационных сооружений, противофильтрационных сооружений и др.

Эти конструкции особенно эффективны в грунтах с высоким стоянием уровня грунтовых вод, а также при возведении в условиях плотной городской застройки. Стена в грунте отделяет массив, находящийся непосредственно под зданием или сооружением, от окружающего пространства, что позволяет увеличить несущую способность основания и уменьшить осадки, более эффективно использовать подземное городское пространство. Эти конструкции справедливо получили свое развитие в последнее время.

Можно подразделить на следующие этапы устройство стены в грунте. По контуру сооружения отрывается форшахта для землеройных машин, ширина которой немного больше ширины траншеи, глубина до 0,8 м; при высоком стоянии грунтовых вод для установки машин делается песчаная подсыпка; откапывается на полную глубину узкая траншея для сооружения секций стены захватками до 30-50 м каждая; по ее торцам устанавливаются ограничители, после чего в траншею закладывается арматура и она заполняется бетоном. Возможно также изготовление стены в грунте из сборных элементов. Для того, чтобы стенки траншеи не обваливались, в особенности при высоком стоянии грунтовой воды, ее заполняют глинистым раствором из бентонитовой глины, уровень которого должен быть выше уровня грунтовой воды.

Выемка грунта осуществляется грейфером двухчелюстного типа или многоковшовым экскаватором типа фрезы. Такими механизмами отрываются траншеи глубиной до 8 м. Зазоры между сборными элементами заполняются цементным раствором для придания стене монолитности. После возведения стены в грунте и твердения бетона из внутреннего замкнутого пространства удаляется грунт.

Рис.Ф.16.17. Стена в грунте: а — выемка грунта из скважины; б — заполнение бетоном; в — разработка новой скважины между двумя забетонированными; г — порядок бурения скважины для устройства сплошной стены

Если заделки в основании для устойчивости и обеспечения прочности стены оказывается недостаточно, то предусматриваются распорные или анкерные крепления. Распорные крепления применяются, если расстояние между параллельными стенами менее 15 м. Анкерные крепления предпочтительнее, причем инъекционного типа в одном или, при необходимости, в двух уровнях.

Источник