Кессонные фундаменты. Фундаменты глубокого заложения: кессоны а. Принципы строительства на просадочных грунтах

Струнный прогрев бетона.

Из искусственных методов наиболее распространенным является прогрев бетона электродами . Он основан на выделении теплоты в бетоне при пропускании через него электрического тока. Чтобы подвести ток к бетонной смеси используются следующие виды электродов.

• Пластинчатые электроды
  Выполнены в виде пластин, навешанных на внутреннюю сторону опалубки для контактирования с бетонеом. В результате подключения противоположных пластин к разным фазам электрисеской сети, в бетонной смеси образуется электрическое поле. Под действием электрического поля, бетон разогревается до требуемой температуры и поддерживается необходимое время.
• Полосовые электроды
  Принцип действия тот же, но в качестве электродов используются полосы шириной 20-50 мм. Возможно располагать полосовые электроды как с двух сторон конструкции, так и с одной. Во-втором случае, электроды подключаются к разным фазам поочередно и электрическое поле образуется в примыкающем к ним тонком слое бетона, прогревая смесь у контактной поверхности.
• Стержневые электроды
  Изготавливают из арматуры диаметром 6-12 мм. Их располагают в теле бетона с рассчетным шагом. Электроды крайнего ряда располагают на расстоянии 3 см от опалубки. Ими можно осуществить прогрев бетона конструкций сложной формы. Схему прогрева бетона стержневыми электродами смотрите в таблице.
• Струнные электроды
  Применяются в основном для прогрева бетона колонн. В центре конструкции устанавливается струнный электрод. Электрическое поле возникает между струной и опалубкой, обитой токопроводящим листом и подключенной к другой фазе электрической сети.

Кессонный метод возведения фундаментов глубокого заложения применяют в тех случаях, когда наблюдается значительный приток воды и осложняются работы по осушению а также когда грунты содержат крупные включения твердых пород. Кессоны применяют в непосредственной близости от сооружений, когда есть опасность выпора грунта из-под их подошвы.

Кессон состоит из кессонной камеры, подкессонного строения и шлюзового устройства. Кессонную камеру обычно делают из железобетона. Стенки камеры заканчиваются ножом. Высота камеры от банкетки до потолка принимается не менее 2,2 м. В потолке камеры предусмотрено отверстие для установки шахтной трубы. Надкессонное строение чаще всего выполняют в виде сплошного массива из монолитного бетона или железобетона. Для опускания и подъема людей и выполнения грузоподъемных операций предусматривается шлюзовой аппарат, который соединен с кессонной камерой шахтными трубами. Сверху кессон оснащен подъемным механизмом. Для подачи сжатого воздуха монтируются трубопроводы из двух ниток: рабочей и резервной. Для обеспечения сжатым воздухом монтируется компрессорная.

Сущность метода заключается в том, что во время погружения кессона в кессонную камеру нагнетается сжатый воздух, предотвращающий поступление в камеру подземных вод и наплывов грунта. Разработку грунта ведут в осушенном пространстве камеры. Чтобы открыть наружную дверь, когда кессон находится под давлением, нужно закрыть люк в шахту и снизить давление в шлюзовом аппарате. Когда внешнее и внутреннее давления уравновешиваются, дверь можно открывать. При этом давление воздуха в шахте и кессоне сохранится. Войдя в шлюзовую камеру, наружную дверь закрывают. Затем поднимают давление воздуха внутри камеры до уровня давления в кессоне. Только после этого можно открывать люк шахты для входа рабочих или транспортировки грунта. Шахту монтируют из звеньев труб на фланцах. Ее можно наращивать при опускании, не снижая давления в кессоне. Для этого закрывают люк на потолке кессона, снижают давление в шахте и выполняют работы по наращиванию.

При сооружении кессонной камеры и надкессонного строения предъявляют такие же требования, что и при сооружении опускных колодцев. Технология производства бетонных, арматурных и других работ аналогична технологии этих работ по сооружению опускных колодцев.

В процессе погружения кессона стены наращивают до верха стыка звеньев шахты. В момент погружения ниже уровня воды давление воздуха в кессоне поднимают и по мере углубления увеличивают его так, чтобы несколько превысить гидростатическое давление на уровне ножа. Только в этом случае обеспечивается полное осушение кессонной камеры.

По мере опускания кессона возрастают силы бокового трения и давление сжатого воздуха на потолок камеры, вследствие чего погружение кессона замедляется, а при равновесии сил может совсем прекратиться. В этом случае для дальнейшего погружения применяют форсированный способ посадки кессона. Для этого по периметру ножа разрабатывают.траншею глубиной до 0,5 м, затем рабочие покидают кессонную камеру и избыточное давление в ней снижают, но не более чем наполовину. В результате нарушения равновесия активных и реактивных сил кессон погружается до упора ножа в дно траншеи. После этого давление воздуха опять поднимают и разрабатывают грунт в центре камеры. Если грунты не поддаются гидромеханизации, то их разрабатывают пневматическими инструментами и мелкими взрывами. Плотные грунты вначале разрабатывают вдоль периметра ножа в виде траншеи глубиной до 0,5 м, начиная от фиксированных точек, и так, чтобы грунт между ними был вынут в последнюю очередь. Затем расширяют траншею, вырабатывая грунт в сторону ножа. В результате опорная площадь под ножом уменьшается и кессон погружается до упора ножа в дно траншеи. При проходке скальных пород выработку траншеи расширяют за пределы ножа наружу на 10-15 см, чтобы предотвратить заклинивание кессона осколками грунта и неровностями и избежать перекоса.

При залегании прочных грунтов на значительной глубине, когда устройство фундаментов в открытых котлованах становится трудновыполнимым и экономически невыгодным, а применение свай не обеспечивает необходимой несущей способности, прибегают к устройству ФГЗ. Необходимость устройства фундаментов глубокого заложения может быть вызвана и особенностями самого сооружения, например когда оно должно быть опущено на большую глубину – подземные гаражи и склады, ёмкости очистных, водопроводных и канализационных сооружений, здания насосных станций, водозаборы, глубокие колодцы для зданий дробления руды, непрерывной разливки стали и многие другие.

В настоящее время применяют следующие типы фундаментов глубокого заложения: опускные колодцы и кессоны, тонкостенные оболочки, буровые опоры и фундаменты, возводимые методом стена в грунте.

Опускные колодцы.

Представляют собой замкнутую в плане и открытую сверху и снизу полую конструкцию, бетонируемую или собираемую из сборных элементов на поверхности грунта и погружаемую под действием собственного веса или дополнительной пригрузки по мере разработки грунта внутри нее (рис.13.1 и 13.2.).

Рис.13.1 Последовательность устройства опускного колодца:

а – изготовление первого яруса опускного колодца на поверхности грунта; б – погружение первого яруса опускного колодца в грунт; в – наращивание оболочки колодца; г – погружение колодца до проектной отметки; д – заполнение бетоном полости опускного колодца в случае использования его как фундамента глубокого заложения

Рис.13.2. Формы сечений опускных колодцев в плане:

а – круглая; б – квадратная; в – прямоугольная; г – прямоугольная с поперечными перегородками; д – с закругленными торцевыми стенками

· Форма колодца в плане определяется конфигурацией проектируемого сооружения См. рис.13.2.

Наиболее рациональной является круглая форма, т.к. стенка круглого колодца работает только на сжатие, и при заданной площади основания обладает наименьшим наружным периметром, что уменьшает силы трения по их боковой поверхности, возникающие при погружении. Плоские же стенки опускных колодцев в основном будут работать на изгиб (что далеко не выгодно), но с другой стороны прямоугольная и квадратная форма позволяет более рационально использовать площадь внутреннего помещения.

В любом случае очертание колодца должно быть в плане симметричным, т.к. всякая асимметрия осложняет его погружение (прекосы, отклонения).

Конструкционные материалы для опускных колодцев:

Каменная или кирпичная кладка;

Ж/б- наиболее распространен:

1.Монолитные (только когда форма колодца в плане имеет сложное очертание, нет возможности изготовления сборных элементов, при проходке скальных грунтов и грунтов с большим числом валунов).

2.Сборные (наибольшее предпочтение)

· Погружению колодца в основание сопротивляются силы трения стен колодца о грунт. Для уменьшения трения колодцам придают коническую или цилиндрически уступчатую форму, с использованием тиксотропной суспензии. Оболочка опускного колодца из монолитного ж/б состоит из двух основных частей: 1 – ножевой; 2 – собственно оболочки. См. рис. 13.3.

Рис.13.3. Форма вертикальных сечений монолитных опускных колодцев:

а – цилиндрическая; б – коническая; в – цилиндрическая ступенчатая; 1 – ножевая часть опускного колодца; 2 – оболочка опускного колодца; 3 – арматура ножа колодца

· Ножевая часть шире стены оболочки на 100…150мм со стороны грунта.

· Толщина стен монолитных колодцев определяется из условия создания веса, необходимого для преодоления сил трения.

· Бетон должен быть прочным, плотным (вес) и иметь высокую водонепроницаемость – В35.

· Монолитные ж/б колодцы изготавливают непосредственно над местом их погружения на специально изготовленной выровненной площадке. При hк >10м его бетонирование ведется отдельными ярусами, последовательно. К опусканию преступают только после набором бетоном 100% прочности, что непроизводительно (потеря времени).

К недостаткам монолитных ж/б опускных колодцев также следует отнести:

Большой расход материалов, не оправданный требованиями прочности;

Значительная трудоемкость, за счет их изготовления полностью на строительной площадке;

· Преимущества монолитных колодцев:

Простота изготовления;

Возможность придания им любой формы;

Отсутствие (как правило) опасности всплытия

· Из сборных опускных колодцев наибольшее распространение получили:

Колодцы из пустотелых прямоугольных элементов

Кессоны.

В сильно обводненных грунтах, содержащих прослойки скальных пород или твердых включений (валуны, погребенную древесину и т.д.) погружение опускных колодцев по схеме «насухо» требует больших затрат на водоотлив, а разработка грунта под водой невозможна из-за наличия в грунте твердых включений.

В этом случае используется кессонный метод устройства фундаментов глубокого заложения, который был предложен во Франции в середине 19в.

Кессон схематически представляет собой опрокинутый вверх днищем ящик, образующий рабочую камеру, в которую под давлением нагнетается сжатый воздух, уравновешивающий давление грунтовой воды на данной глубине, что не позволяет ей проникать в рабочую камеру, благодаря чему разработка грунта ведется насухо без водоотлива.

Рис.13.9. Схема устройства кессона:

а – для заглубленного помещения; б – для глубокого фундамента; 1 – кессонная камера; 2 – гидроизоляция; 3 – надкессонное строение; 4 – шлюзовой аппарат; 5 – шахтная труба

Метод является более дорогостоящим и сложным, поскольку требует специального оборудования. Кроме того, этот способ связан с пребыванием людей в зоне повышенного давления воздуха, что значительно сокращает продолжительность рабочих смен (до 2 часов при 350…400кПа(max)) при максимальной глубине 35-40м.

В связи с вышесказанным кессоны применяют значительно реже других типов фундаментов глубокого заложения.

Кессонная камера, высота которой по санитарным нормам принимается не менее 2,2 м, выполняется из ж/б и состоит из потолка и стен, называемых консолями.

Способ погружения кессона аналогичен опускному колодцу. Глубину погружения кессона и его внешние размеры определяют так же, как и для опускных колодцев.

Шлюзовой аппарат, соединенный с кессонной камерой шахтными трубами, предназначен для шлюзования людей и грузов при их спуске в кессонную камеру и при подъеме из нее.

Грунт в камере кессона разрабатывается или ручным или гидромеханическим способом.

Имеется опыт разработки грунта в кессонной камере вообще без присутствия в ней рабочих, когда все управление гидромеханизмами выносится за ее пределы. Такой способ опускания кессона называется слепым.

Тонкостенные оболочки.

Тонкостенная оболочка представляет собой пустотелый цилиндр из обычного или предварительно напряженного ж/б. Они начали широко применяться только с появлением мощных вибропогружателей, позволяющих погружать в грунт элементы больших размеров.

Рис.13.10. Конструкция типовой оболочки диаметром 1,6м

Оболочки выпускаются секциями длиной от 6 до 12м и наружным диаметром от 1 до 3м. Длина секций кратна 1м, толщина стенок составляет 12см. На рис 13.10 в качестве примера показана секция оболочки диаметром 1,6м.

Наилучшими типами стыков являются сварной, применяемый для предварительной сборки на строительной площадке, и фланцевый на болтах, используемый для наращивания оболочек в процессе погружения. (рис.13.11)

Рис.13.11. Стыки секций оболочек:

а – сварной стык; б – фланцево-болтовой стык; 1 – стержень продольной арматуры; 2 – ребро; 3 – обечайка; 4 – сварной шов; 5 – стальной стержень; 6- болт

Погружение оболочек в грунт осуществляется, как правило, вибропогружателями. Для облегчения погружения, а также для предотвращения разрушения оболочки при встрече с твердыми включениями конец нижней секции снабжается ножом.

Обычно для повышения сопротивления оболочки действию значительных внешних усилий обычно ее полость после погружения до заданной глубины заполняется бетоном. При погружении в песчаные грунты внизу оставляют уплотненное песчаное ядро высотой не менее 2м. (рис.13.12а)

Рис.13.12 Конструкция сборных железобетонных оболочек:

а – оболочка с уплотненным песчаным ядром; б – усиленная оболочка с несущей диафрагмой; в – оболочка, заделанная в скалу; г – оболочка с уширенной пятой; 1 – оболочка; 2 – бетонное заполнение; 3 – нож; 4 – несущая диафрагма; 5 – арматурный каркас; 6 – буровая скважина в скальной породе; 7 – уширенная пята

Благодаря этому сохраняется естественная плотность песчаного грунта в основании оболочки, что обеспечивает лучшее использование его несущей способности.

Наиболее рационально тонкостенные оболочки применять при больших вертикальных и горизонтальных нагрузках. Такие сочетания нагрузок наиболее характерны для мостов, гидротехнических и портовых сооружений.

Буровые опоры.

Буровые опоры представляют собой бетонные столбы, которые возводят путем укладки бетонной смеси в предварительно пробуренные скважины. Укладка бетонной смеси производится под защитой либо глинистого раствора, либо обсадных труб, извлекаемых при бетонировании.

Технология устройства буровых опор та же, что и буронабивных свай. По существу, они представляют собой буронабивные сваи большого сечения (d >80см).

Нижние концы буронабивных опор обязательно доводят до плотных грунтов, поэтому они работают как стойки. Иногда их делают с уширенной пятой.

Буровые опоры обладают значительной несущей способностью (e1000т) и рассчитываются как сваи-стойки.

Стена в грунте.

Этот способ предназначен для устройства фундаментов и заглубленных в грунт сооружений (рис. 13.13).

Рис.13.13. Конструкции, сооружаемые способом «стена в грунте»: а – котлованы в городских условиях; б – подпорные стенки; в – тоннели; г – противофильтрационные диафрагмы; д – подземные резервуары

Способ заключается в том, что сначала по контуру будущего сооружения в грунте отрывается узкая глубокая траншея (b=60…100 см, Hd40…50 м) с помощью жесткого грейфера или механизированного траншеекопателя на проектную глубину с врезкой в водоупор, которая затем заполняется бетонной смесью или сборными железобетонными элементами.

Возведенная таким образом стена может служить конструктивным элементом фундамента, ограждением котлована или стеной заглубленного помещения.

Помимо заглубленных сооружений способом «стена в грунте» можно устраивать противофильтрационные завесы. Устройство «стены в грунте» наиболее целесообразно в водонасыщенных грунтах при высоком уровне подземных вод. Способ особенно эффективен при заглублении стен в водоупорные грунты, что позволяет полностью отказаться от водоотлива или глубинного водопонижения.

Существенным достоинством способа является возможность устройства глубоких котлованов и заглубленных помещений вблизи существующих зданий и сооружений без нарушения их устойчивости, что особенно важно при строительстве в стесненных условиях, а также при реконструкции сооружений.

Технология устройства «стены в грунте».

1. Сооружение «стена в грунте» начинается с устройства сборной или монолитной форшахты, которая служит направляющей для землеройных машин, опорой для подвешивания армокаркасов, бетолитных труб, сборных железобетонных панелей и т.п. и обеспечивает устойчивость стенок в верхней части.

2. Отрывка котлована отдельными захватками. Откопав первую захватку, на всю глубину стены по ее торцам устраивают ограничители, арматурный каркас и укладывают бетонную смесь.

3. Затем переходят к захватке «через одну», а после ее устройства – к промежуточной и т.д., в результате получается сплошная стена (рис. 13.14).

Рис.13.14. Последовательность возведения «стены в грунте»:

а – первая очередь работ; б – вторая очередь работ; 1 – форшахта; 2 – базовых механизм; 3 – бетонолитная труба; 4 – глинистый раствор; 5 – грейфер; 6 – траншея под одну захватку; 7 – арматурный каркас; 8 – бетонная смесь; 9 – забетонированная секция; 10 – готовая «стена в грунте»

Такой метод называется методом последовательных захваток или секционным методом.

Для удержания стен захватки против обрушения по мере углубления в нее подливают тиксотропный глинистый раствор.

После возведения «стены в грунте» по всему периметру сооружения (т.е. конструкция замыкает в плане будущее сооружение) поэтапно удаляют грунт из внутреннего пространства. При необходимости на каждом этапе по периметру устраивают грунтовые анкера или распорки. Если крепления не изготавливаются, то устойчивость стены при удалении грунта обеспечивается ее заделкой в основание. После полного удаления грунта из внутреннего пространства до проектной отметки возводят внутренние конструкции.

Кессонный способ работы связан с использованием сжатого воздуха. Обычно основоположником кессонных ф) ндаментов

считают французского инженера Триже, хотя первый его кессон еще не был похож на современный. В 1841 г. Триже опускал стальные трубы диамет-: ром 1,03 м через водоносный слой для разработки каменноугольных копей в долине Луары. Труба на глубину 15 м опускалась по принципу опускного колодца с водоотливом. Дальнейшее погружение трубы этим способом не удавалось, и Триже применил сжатый воздух, превратив опускной колодец в кессон. Конструкция кессона Триже показана на рис. 6. Вода из шахты вытеснялась сжатым воздухом.

Рис. 1. Кессон Триже: 1 - шахта; 2 - воздушный шлюз; 3 и 4 - герметические двери; 5 - воздухопровод для сжатого воздуха; 6 - водоотводная труба

В оболочку был встроен «воздушный шлюз» с герметическими дверцами. Ниже шлюза находилась рабочая камера или шахта. Принцип работы заключался в следующем. Регулировочным краном воздухопровода давление воздуха внутри шлюза уравнивали с наружным. Когда давление воздуха было равно атмосферному, открывали дверь и входили в шлюз. А затем, закрыв верхнюю дверь и кран, соединяющий внутреннее пространство шлюза с атмосферой, открывали кран, при помощи которого шлюз сообщался

Ы с шахтой. Когда давление воздуха сравнивалось с давлением в шахте, открывали нижнюю дверь, и из шлюза переходили в шахту. Выход из шахты через шлюз наружу происходил в обратном порядке. Рабочие опускались в шахту и подрывали грунт под трубой. Вырытый грунт накладывали в бадьи, которые поднимали в шлюз, а из шлюза грунт перемещали наружу. Применяя этот способ, Триже опустил трубу еще на 6 м.

Такой же способ повторил английский инженер Брюнель при постройке двух мостов, где опускались цилиндры диаметром 11 м и высотой 30 м. Аналогичный способ был применен в 1857 г. при строительстве моста через р. Тиса в Венгрии для опускания стальной трубы диаметром 3 м. При строительстве этого моста были внесены некоторые усовершенствования в конструкцию кессона.

В 1856-1858 гг. в России также был применен этот способ при строительстве моста через р. Неман в Ковно, р. Вислу з Варшаве, р. Двину и др.

Конструктивное оформление современного кессона было дано инж. Денисом в 1859 г. при устройстве фундаментов Киль-ского моста через р. Рейн.

Предложенный Денисом кессон представлял собой металлический ящик, перевернутый дном вверх, который служил рабочей камерой и был соединен с шахтными трубами и со шлюзом. Такая конструкция выгодно отличается от конструкции цилиндрического кессона, примененного Триже, так как сталь расходуется только для устройства рабочей камеры, а тело опоры устраивается из менее дефицитного материала - камня и бетона. Принцип применения сжатого воздуха в том и другом случае одинаков.

Первый кессон современного типа имел в плане размеры 7 X 24 и высоту 3,8 м. По мере опускания рабочей камеры возводилась кладка тела опоры. Эта же конструкция была успешно применена при строительстве опор мостов в Швейцарии и через р. Преголя в Прибалтике. Однако более простые по форме цилиндрические кессоны были вытеснены не скоро. В России кессоны современного типа впервые применены в 1871 г. при строительстве моста через р. Днепр.

В России также широко применялись бетонные кессоны. Только на строительстве Восточно-Китайской железной дороги построено более 100 мостов на таких кессонах. Бетонные кессоны нашли применение и в 1910-1912 гг. при строительстве больших мостов через pp. Днепр, Дон и др.

Кессонный способ сооружения фундаментов значительно расширил возможности строителей. Там, где опускные колодцы не могли применяться по геологическим условиям (большие валуны, скальные прослойки, грунтовая вода и т.д.), их заменяли кессонами.

В практике мостостроения, особенно в Америке, применялись деревянные кессоны. Например, опоры Бруклинского висячего моста в НькР-йорке с главным пролетом 487 м, построенного в 1870-1883 гг., сооружены на деревянных кессонах размером 32,2 X 52,5 м (площадь их равна 1592 м2). Вероятно, это самые большие кессоны в практике строительства мостов. Расход древесины на один кессон составил 3140 м3, а металла - 250 т. Глубина погружения кессонов - 24 м ниже уровня грунта. Большие кессоны из дерева в США применяли также при строительстве ряда других мостов, в частности при строительстве арочного моста в Сент-Луисе в 1870 г. (25 X 22,1 м), а также в 1911 г. на строительстве Ново-Квебекского моста (16,9 X 55 м) и др. Эти кессоны поражают своими грандиозными размерами, но не совершенством конструкций. Характерной особенностью строительства кессонных фундаментов является то, что размеры кессонов с развитием уровня техники сильно уменьшились.

Деревянные кессоны нашли применение и в России при строительстве опор мостов на сибирских железных дорогах.

При строительстве опор мостов на кессонных фундаментах иногда происходили неожиданные случаи. При строительстве кессонных фундаментов опор моста в Нью-Йорке в 1917 г. под фундамент одной из опор предполагалось опустить три кессона до верха скальных пород. При опускании третьего кессона до проектной отметки была обнаружена широкая расщелина в скале, заполненная мягкой породой. Строители приняли решение перекрыть расщелину железобетонными арками и консольными балками пролетами 18 м, которые опирались на два соседних кессона. Третий кессон был поставлен на это перекрытие. Устройство железобетонных перекрытий производилось на глубине 21,35 м ниже горизонта воды под сжатым воздухом.

Еще более неожиданный случай имел место при строительстве фундамента автодорожного моста в Нью-Уэльсе в Австралии, где пришлось опустить кессон на глубину 75 м от уровня воды. При опускании кессона, когда он был погружен на глубину 15 м в грунт, а кладка была выведена на высоту 39 м, внезапно кессон опустился на 18 м. При этом верх кладки оказался на 14 м ниже поверхности воды, которая в этом месте достигала 35 м. Было решено опустить второй кессон на первый и объединить их. После этого кладка была выведена на 60 м. Колодец сел еще на 7 м. В процессе дальнейшего опускания также имело место скачкообразное опускание кессона на 8 м.

В практике отечественного мостостроения также были аварийные случаи при работе с кессонами. При строительстве моста через р. Днепр в 1871 г. один из кессонов опрокинулся и затонул. Чтобы опустить новый кессон, пришлось затонувший разрубить на части и извлечь. Были также неприятности при строительстве опор одного железнодорожного моста через р. Днепр: из-за неоднородности основания кессона произошел разрыв кладки тела одной из опор. Исправление разрыва кладки происходило в трудных условиях в течение 4 месяцев при круглосуточной аварийной работе. Строительство одной опоры заняло 5 лет.

В СССР кессоны широко применяли при строительстве мостов как на железных, так и на автомобильных дорогах. Наиболее современные методы нашли применение в строительстве новых московских мостов, построенных в 1936-1938 гг.

Наиболее сложные кессонные работы приходилось вести при строительстве Краснохолмского моста в Москве. Кессоны этого моста по своим размерам и глубине опускания относятся к категории выдающихся сооружений. Дно русла реки сложено поверху культурным слоем, а затем следует песок с гравием, глины и суглинки. На глубине 27-30 ж залегает известняк. Под каждую опору было опущено по два железобетонных кессона размером 17,5 X 35 ж с расстоянием между ними 4,5 м. Кессоны имели ромбическую форму. Наибольшая глубина опускания кессона - 34 м. На этом мосту широко применили гидромеханизацию, что значительно повысило темп работ. Это было новинкой в мостостроении. При обычном способе ведения работы восемь кессонщиков выдавали в смену 30 ж3 грунта, а с применением гидромеханизации 200 ж3. Благодаря хорошей организации работа по устройству фундаментов закончена в течение 1 года.

Кессонные фундаменты применили также на строительстве ряда других московских мостов.

Гидромеханизация позволяет вести работу без людей в камере или при небольшом количестве людей. Первый способ получил название автоматического, или слепого. Этот способ испытан в 1937 г. на строительстве Б. Каменного моста, а потом на Наводницком мосту в Киеве в 1939-1940 гг.

В послевоенный период большой вклад в усовершенствование конструкций опор на кессонных фундаментах внесли мостостроители Прибалтики . Ими предложены и внедрены столбчатые опоры на кессонах-оболочках из тонкостенных железобетонных элементов весом 200 т и более.

Конструкция опор на кессонах-оболочках показана на рис. 2. Опора состоит из двух кессонов-оболочек, железобетонного ростверка и тела опоры. Кессоны-оболочки имеют в нижней части горизонтальные перегородки для размещения на них шахтных труб с кессонными аппаратами. Диаметры оболочек доходили до 6,3 м при толщине стенки 15 см. Оболочки изготовляли на стенде. Транспортирование и опускание оболочек производили двумя плавучими шевр-кранами грузоподъемностью до 90-100 т. ичгптпв.прнными гилями стпоителей. После опускания

Кессонов-оболочек до проектной глубины и заполнения внутренней полости бетонной смесью на головы оболочек устанавливали железобетонный ящик-ростверк с несколькими отсеками. Ящик-ростверк служил одновременно опалубкой ростверка. При заполнении ящика-ростверка бетонной смесью его объединяли с оболочками при помощи арматурных каркасов. Для бетонирования ростверка, верх которого находился ниже уровня воды, применяли водонепроницаемые инвентарные перемычки. Над ростверком обычным путем возводили тело опоры. За последние несколько лет построено 15 опор на кессонах-оболочках.

На одном мосту две опоры на кессонах-оболочках построены в трудных геологических условиях: дно русла реки на глубину 3-4 м состояло из песков с содержанием крупных и мелких валунов, а ниже залегал мощный пласт песчаника. Глубина воды составляла от 3,5 до 5 м, а скорость течения реки доходила до 5 м/сек. Возведение опор в.двойном шпунтовом ограждении, рекомендованное в проекте моста, оказалось невыполнимым по геологическим условиям. Поэтому проект моста был пересмотрен, и опоры были построены на кессонах-оболочках. Кессоны-оболочки имели диаметр 5 м на нижнем участке высотой 3 – 4,8 м выше его. Расстояние между оболочками - около 9 м. При опускании оболочек на одной опоре встречались препятствия в виде сплотки деревянных свай и двухтавровых балок. Оболочки были опущены в песчаник на глубину 2,7 м. Все работы по возведению одной оболочки заняли 32 дня.

Особенность опор на кессонах-оболочках - это замена массивных кессонов двумя облегченными железобетонными оболочками, широкое применение сборных элементов с большим монтажным весом и индустриальный метод строительства.

Однако кессонные фундаменты в настоящее время полностью вытесняются другими видами фундаментов, глубокого заложения.

Рис. 2. Опора на кессонах-оболочках: а - незаконченная; б - законченная

Сущность устройства фундаментов с помощью кессона заключается в отжатии подземных вод от места разработки грунта сжатым воздухом. Для этого на месте устройства фундамента делают кессон – большой ящик, перевернутый вверх дном. Кессон образует рабочую камеру, в которую могут спускаться рабочие и инженерный персонал. В рабочей камере по мере её погружения в грунт повышают давление воздуха до 0,2 МПа. Это давление уравновешивает давление подземных вод на данной глубине.

Над рабочей (кессонной) камерой делают шахту, на которую сверху устанавливают шлюзовой аппарат. Все эти устройства герметизируют.

Рисунок 3.16.

Через прикамерок рабочие входят в шлюз, где давление постепенно повышают до имеющегося в рабочей камере. Через 5…15 мин человеческий организм приспосабливается к условиям повышенного давления. Длительность пребывания людей при повышенном давлении воздуха строго ограничена требованиями техники безопасности.

Выход через шлюз требует примерно в 3…3,5 раза больше времени, чем вход.

Из-за ограничения максимального давления кессон можно опустить на глубину не более 35…40 м.

Работы по возведению фундаментов кессонным методом дорогостоящие. Их применяют при наличии в грунте крупных включений или при необходимости опирания фундамента на неровную поверхность скалы.

Для разработки грунта применяют гидромониторы, а для удаления его наружу - эрлифты.

Рисунок 3.17. Схематичный разрез по кессону: 1 – рабочая камера; 2 – кессон; 3 – надкессонная кладка; 4 – шлюзовый аппарат с двумя шлюзами; 5 – шахта; 6 – трубопровод для подачи воды в гидромонитор; 7 - эрлифт

После опускания кессона на проектную глубину рабочую камеру заполняют бетоном.

На кессон, кроме нагрузок, действующих на опускные колодцы, оказывает воздействие вес кладки и давление сжатого воздуха.

Вопросы для самоподготовки:

1.Область использования фундаментов глубокого заложения. Виды фундаментов.

2. Гравитационные опускные колодцы, их классификация, конструктивные схемы, методы погружения. Расчет гравитационных колодцев на погружение. Расчет гравитационных колодцев на погружение всплытие.

3.Легкие колодцы оболочки, конструкции, методы погружения.

4. Сваи-оболочки и буровые опоры.

77. Фундаменты глубокого заложения: кессоны, глубокие опоры, сваи оболочки.

При залегании прочных грунтов на значительной глубине, когда устройство фундаментов в открытых котлованах становится труд­новыполнимым и экономически невыгодным, а применение свай не обеспечивает необходимой несущей способности, прибегают к устройству фундаментов глубокого заложения. Необходи­мость устройства фундаментов глубокого заложения может быть вызвана и особенностями самого сооружения, например когда оно должно быть опущено на большую глубину (заглубленные и под­земные сооружения). К таким сооружениям относятся подземные гаражи и склады, емкости очистных, водопроводных и канализаци­онных сооружений, здания насосных станций, водозаборы, глубокие колодцы для зданий дробления руды, непрерывной разливки стали и многие другие.

В настоящее время в строительной практике применяют следу­ющие виды фундаментов глубокого заложения: опускные колодцы, кессоны, тонкостенные оболочки, буровые опоры и фундаменты, возводимые методом «стена в грунте».

Кессоны

Кессонный метод устройства фундаментов глубокого заложения был предложен во Франции в середине XIX в. для строительства в сильно обводненных грунтах, содержащих прослойки скальных пород или твердые включения (валуны, погребенную древесину и т. д.). В этих условиях погружение опускных колодцев по схеме «насухо» требует больших затрат на водоотлив, а разработка грун­та под водой невозможна из-за наличия в грунте твердых включе­ний.

Кессон схематически представляет собой опрокинутый вверх днищем ящик, образующий рабочую камеру, в которую под давле-

23 Механика грунтов

нием нагнетается сжатый воздух, уравновешивающий давление грунтовой воды на данной глубине, что не по­зволяет ей проникать в ра­бочую камеру, благодаря че­му разработка грунта ведет­ся насухо без водоотлива.

Рис. 13.9. Схема устройства кессона:

ного оборудования (комп­рессоры, шлюзовые аппара-

ты, шахтные трубы и т. д.). Кроме того, этот способ связан с пребы­ванием людей в зоне повышенного давления воздуха, уравновеши­вающего гидростатический напор воды, что приводит к снижению производительности труда, значительно сокращает продолжитель­ность рабочих смен (до 2 ч при избыточном давлении 350...400 кПа) и ограничивает глубину погружения кессонов до 35...40 м ниже уровня подземных вод, поскольку максимальное добавочное давле­ние, которое может выдержать человек, составляет 400 кПа.

В связи с вышесказанным кессоны применяют значительно реже других типов фундаментов глубокого заложения.

Конструкция кессонов и оборудование для их опускания. Кессон состоит из двух основных частей: кессонной камеры и надкессон- ного строения (рис. 13.9).

Кессонная камера, высота которой по санитарным нормам при­нимается не менее 2,2 м, выполняется из железобетона и состоит из потолка и стен, называемых консолями. Консоли камеры с внутрен­ней стороны имеют наклон и заканчиваются ножом. Толщина консолей в месте примыкания к потолку составляет 1,5...2 м, шири­на банкетки принимается равной 25 см. Конструкция ножа кессона такая же, как и опускного колодца.

Для изготовления кессонных камер применяют бетон класса не менее В35, а их армирование ведется на усилия, возникающие в процессе возведения кессона. При бетонировании кессонной каме­ры в ее потолке оставляют отверстия для установки шахтной тру­бы, труб сжатого воздуха и воды, а также подводки электроэнергии.

Надкессонное строение в зависимости от назначения кессона выполняется либо как колодец с железобетонными стенками (под заглубленные помещения), либо в виде сплошного массива из моно­литного бетона или железобетона (для фундаментов глубокого заложения). Если надкессонное строение выполняется под заглуб- 354

ленное помещение, то на его наружные стены наносится гидроизо­ляция для защиты кессона от проникновения в него воды.

Как и в случае опускных колодцев, надкессонное строение воз­водят или сразу на всю проектную высоту, или же ярусами по мере погружения.

Главными элементами оборудования для опускания кессонов являются шлюзовые аппараты, шахтные трубы и компрессорная станция.

Шлюзовой аппарат, соединенный с кессонной камерой шахт­ными трубами, предназначен для шлюзования людей и грузов при их спуске в кессонную камеру и при подъеме из нее. Процесс шлюзования и вышлюзовывания рабочих происходит следующим образом. Рабочий входит в пассажирский прикамерок шлюза, где давление постепенно повышается от атмосферного до имеющегося в рабочей камере. На этот процесс затрачивается, как правило, от 5 до 15 мин, что необходимо для адаптации организма человека к условиям повышенного давления, после чего по шахтной трубе рабочий опускается в рабочую камеру кессона. Выход из рабочей камеры кессона осуществляется в обратной последовательности, но при этом на снижение давления воздуха в пассажирском прикамерке шлюза до уровня атмосферного требуется в 3...3,5 раза больше времени, чем на переход от атмосферного давления к повышенному. Здесь необходимо проявлять особую осторожность, поскольку бы­стрый переход от повышенного давления к атмосферному может быть причиной так называемой кессонной болезни.

Для обеспечения нормальных условий работы рабочая камера и шлюзовой аппарат обеспечиваются электроосвещением, телефон­ной связью, системой звуковых и световых сигналов.

Производство кессонных работ. Последовательность производст­ва работ при строительстве кессонов такая же, как и при строитель­стве опускных колодцев.

Сначала на спланированной поверхности грунта или на дне пионерного котлована возводится кессонная камера, на которой монтируются шлюзовой аппарат и шахтные трубы. Одновременно вблизи кессона сооружается компрессорная станция и монтируется обрудование для подачи в кессон сжатого воздуха.

После того как бетон кессонной камеры приобретет проектную прочность, ее снимают с подкладок и начинают погружение. Сжа­тый воздух начинают подавать в кессонную камеру, как только ее нижняя часть достигнет уровня подземных вод. Давление воздуха, обеспечивающее отжим воды из камеры кессона, определяется из условия

Рь>Н„у„, (13.6)

гд е Рь - избыточное (сверх атмосферного) давление воздуха, кПа;

Гидростатический напор на уровне банкетки ножа, м; у* - Удельный вес воды, кН/м 3 .

По мере погружения кессона в грунт наращивают шахтные трубы, если это необходимо, и возводят надкессонную часть соору­жения.

После опускания кессона на проектную глубину все специальное оборудование демонтируется, а рабочая камера заполняется бето­ном.

Грунт в камере кессона разрабатывается ручным или гидромеха­ническим способом.

Ручная разработка грунта применяется при погружении кессонов в породы, не поддающиеся размыву (плотные глинистые, скальные грунты и т. п.). В этих случаях грунт разрабатывается ручным механизированным инструментом (отбойные молотки, пневмобу­ры), а разрушение скальных пород и дробление валунов произво­дится взрывным способом мелкими шпуровыми зарядами. Разра­ботанный грунт грузится в бадьи, подвешенные к смонтированному на потолке камеры монорельсу, и подается к шахтному отверстию.

При разработке грунта следят за равномерным погружением кессона. Если замечают перекосы и крены, то замедляют разработ­ку грунта с одной стороны кессона и усиливают с противополож­ной.

Если после разработки грунта кессон не опускается, то его либо пригружают, либо применяют форсированную посадку. Форсиро­ванная посадка достигается снижением давления воздуха в рабочей камере, вследствие чего падает направленное вверх давление на ее потолок, сопротивление кессона погружению в грунт резко умень­шается и он быстро опускается на глубину выработки.

Правилами производства кессонных работ форсированную по­садку кессона разрешается производить на глубину не более 0,5 м при снижении давления воздуха не более чем на 50%. Пребы­вание людей в кессоне при форсированной посадке запрещается.

Если существует опасность самопроизвольного опускания кес­сона (при слабых грунтах или значительном весе кессона), то под потолок его камеры подводят шпальные клетки. После того как опасность самопроизвольного опускания кессона минует, шпальные клетки разбирают.

Гидромеханическая разработка грунта применяется при погру­жении кессона в грунты, поддающиеся размыву (песчаные, супесча­ные, песчано-гравелистые). Разработка грунта производится гидро­мониторами, а разжиженная масса (пульпа) удаляется из камеры гидроэлеваторами или эжекторами.

Гидромониторы и гидроэлеваторы могут работать по заданной программе, что позволяет сократить до минимума число рабочих, находящихся в кессонной камере под давлением сжатого воздуха. Имеется опыт разработки грунта в кессонной камере вообще без присутствия в ней рабочих, когда все управление гидромеханиз­мами выносится за ее пределы. Такой способ опускания кессонов называется слепым.

Тонкостенные оболочки из сборных железобетонных элементов индустриального изготовления начали широко применять при воз­ведении фундаментов глубокого заложения с появлением мощных вибропогружателей, позволяющих погружать в грунт элементы бо­льших размеров.

Тонкостенная оболочка представляет собой пустотелый цилиндр из обычного или предварительно напряженного железобетона.

Оболочки выпускаются секциями длиной от 6 до 12 м и наруж­ным диаметром от 1 до 3 м. Длина секций кратна 1 м, толщина стенок составляет 12 см. На рис. 13.10 в качестве примера показана секция оболочки диаметром 1,6 м.

На строительной площадке секции оболочки или предваритель­но укрупняются, или наращиваются в процессе погружения с помо-

щью специальных стыковых устройств. Анализ накоплен­ного опыта показал, что на­илучшими типами стыков яв­ляются сварной, применяе­мый для предварительной сборки на строительной пло­щадке, и фланцевый на бол­тах, используемый для нара­щивания оболочек в процессе погружения (рис. 13.11).

Рис. 13.11. Стыки секций оболочек:

а - сварной стык; б - фланцево-болтовой стык; 1 - стержень продольной арматуры; 2 - ребро; 3 - обечайка; 4 - сварной шов; 5 - стальной стержень; 6 - болт

Для повышения сопротивления оболочки действию значитель­ных по величине внешних усилий обычно ее полость после погруже­ния до заданной глубины заполняется бетоном. При погружении в песчаные грунты внизу оставляют уплотненное песчаное ядро высотой не менее 2 м (рис. 13.12, а). Благодаря этому сохраняется естественная плотность песчаного грунта в основании оболочки, что обеспечивает лучшее использование его несущей способности.

Заполнение оболочек бетоном значительно замедляет темпы производства работ и снижает процент сборности фундамента, особенно при оболочках большого диаметра. Чтобы снизить объем укладываемого бетона или вообще исключить производство бетон­ных работ на строительной площадке, разработаны конструкции оболочек с утолщенными до 16...20 см стенками (усиленные оболоч­ки). Усиленные оболочки обладают достаточной прочностью для их вибропогружения в труднопроходимые грунты, характеризуемые включениями галечника и валунов (что на практике создавало серьезные трудности при погружении обычных оболочек и не раз приводило к их разрушению), и не трубуют обязательного последу­ющего заполнения бетоном по крайней мере на полную высоту. Применение таких оболочек значительно сокращает объем бетон­ных работ, производимых на строительной площадке.

Разновидностью усиленных оболочек являются оболочки с несу­щей диафрагмой. Диафрагма устраивается в нижней секции оболоч­ки на высоте одного-двух ее диаметров и имеет центральное отвер­стие для извлечения грунта из ее полости при погружении (рис. 13.12, б). После посадки диафрагмы на грунт на последнем этапе погружения отверстие заливают бетоном. Такие оболочки предназ­начаются для фундаментов, устраиваемых в песчаных и песчано­гравийных грунтах без включения валунов.

Если оболочка погружается до скальных грунтов, то ее нижний ко­нец, как правило, заделывается в скалу. Для этого в скальной поро­де через оболочку бурят скважину диаметром, равным внутреннему диаметру оболочки, и после уста­новки арматурного каркаса скважи­ну и оболочку заливают бетоном (рис. 13.12, в).

В нескальных грунтах увеличение несущей способности оболочки по грунту достигается устройством внизу уширенной пяты. Полость для уширенной пяты делают либо раз- буриванием, либо камуфлетным взрывом с последующим заполнени­ем ее бетонной смесью (рис. 13.12, г). Практика показала, что устрой­ство уширений наиболее целесооб­разно в глинистых грунтах средней прочности.

Оболочки, заделанные в скалу или имеющие внизу уширение, об­ладают значительной несущей спо­собностью (10 МН и более), поэтому обязательно заполняются бетоном на всю высоту. Исключение состав­ляют только усиленные оболочки, где иногда можно ограничиться устройством только нижней бетон­ной пробки.

Рис. 13.12. Конструкция сборных желе­зобетонных оболочек:

Наиболее рационально тонкостенные оболочки применять при больших вертикальных и горизонтальных нагрузках. Такие сочета­ния нагрузок наиболее характерны для мостов, гидротехнических и портовых сооружений.

Буровые опоры представляют собой бетонные столбы, которые возводят путем укладки бетонной смеси в предварительно пробу­ренные скважины. Укладка бетонной смеси производится под защи­той либо глинистого раствора, либо обсадных труб, извлекаемых при бетонировании.

Технология устройства буровых опор та же, что и буронабивных свай (см. § 11.1), т. е., по существу, они представляют собой буронабивные сваи большого диаметра (более 80 см).

Нижние концы буровых опор обязательно доводят до плотных грунтов, поэтому они работают как стойки. Иногда их делают с уширенной пятой. При необходимости буровые опоры армируют­ся, но, как правило, только на участках сопряжений со скальной породой и с ростверком.

Буровые опоры обладают значительной несущей способностью (10 МН и более) и рассчитываются как сваи-стойки, изготовленные в грунте.